2024 Le celle solari alla perovskite sono disponibili in commercio？

Le celle solari in perovskite stanno guadagnando slancio come nuova generazione di tecnologia fotovoltaica grazie alla loro elevata efficienza e ai bassi costi di produzione. Con i recenti progressi nelle celle solari tandem alla perovskite, che possono raggiungere un’efficienza superiore al 30%, il mercato sta assistendo a un crescente interesse nell’adozione di queste celle. Nel 2023, il tasso di penetrazione delle celle solari alla perovskite in Cina era solo dello 0,2% circa, indicando una presenza piccola ma crescente. Tuttavia, è probabile che la ricerca in corso e le politiche di sostegno del settore ne favoriscano l’adozione nei prossimi anni.

Celle solari alla perovskite: definizione e classificazione

Le celle solari alla perovskite sono un tipo di cella solare di terza generazione che utilizza semiconduttori ad alogenuri organici-inorganici strutturati perovskite come materiali che assorbono la luce. Queste celle vengono spesso definite celle solari di nuova generazione per la loro struttura unica e l'elevata efficienza. Attualmente, le celle solari alla perovskite hanno raggiunto una fase cruciale per la commercializzazione. Secondo i dati del 2023, la penetrazione del mercato delle celle solari alla perovskite in Cina è stata di circa lo 0,2%. Poiché la tecnologia continua ad evolversi, si prevede che il tasso di adozione delle celle solari alla perovskite in Cina aumenterà in futuro.

Esistono due tipi principali di celle solari a perovskite: celle solari a perovskite a giunzione singola e tandem. Una cella a singola giunzione contiene una semplice struttura “sandwich” di strati di perovskite. Al contrario, le celle solari tandem alla perovskite possono impilare più strati di perovskite o combinarli con le tradizionali celle a base di silicio per creare una struttura che cattura una gamma più ampia dello spettro solare. A seconda dei materiali utilizzati, le celle tandem possono seguire diverse configurazioni, comprese le celle tandem in silicio/perovskite, tutte le celle solari tandem in perovskite e le celle tandem a film sottile/perovskite come le celle tandem CIGS/perovskite.

Politiche di settore

Negli ultimi anni, la Cina ha implementato molteplici politiche per incoraggiare lo sviluppo e l’innovazione del settore delle celle solari alla perovskite. Nel gennaio 2023, il Ministero dell'Industria e della Tecnologia dell'Informazione, insieme ad altri cinque dipartimenti, ha pubblicato i "Pareri guida sulla promozione dello sviluppo dell'industria dell'elettronica energetica", che proponevano lo sviluppo coordinato di celle solari alla perovskite (comprese le celle tandem alla perovskite/silicio) , celle a film sottile in silicio amorfo/microcristallino e altre tecnologie a film sottile ad alta efficienza. L'obiettivo è espandere i campi di applicazione per includere componenti BIPV, componenti automobilistici e applicazioni esterne.

Nel marzo 2024, l'Ufficio governativo provinciale dell'Henan ha pubblicato l'“Avviso sull'accelerazione della svolta delle “sei nuove” industrie manifatturiere”, sottolineando la necessità di concentrarsi sullo sviluppo di materiali per celle fotovoltaiche in silicio cristallino e materiali compositi a film sottile. Ciò include tecnologie di silicio monocristallino di grandi dimensioni, silicio policristallino e film sottile, nonché nuovi materiali per celle solari in perovskite ad alta efficienza e celle CIGS a film sottile. L’obiettivo è costruire una catena industriale completa che copra silano, silicio granulare, wafer di silicio monocristallino, celle di batterie e centrali elettriche.

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Storia delle celle solari alla perovskite

La storia delle celle solari a base di perovskite inizia nel 1839 quando lo scienziato tedesco Gustav Rose scoprì il minerale perovskite. Nel 2006, le celle solari in perovskite sono state utilizzate per la prima volta nelle applicazioni fotovoltaiche. Nel 2009, lo scienziato giapponese Miyasaka ha utilizzato materiali di perovskite come assorbitori di luce nelle celle solari sensibilizzate con coloranti, ottenendo un'efficienza di conversione energetica del 3,8%. Entro ottobre 2021, i ricercatori del Korea Institute of Science and Technology hanno raggiunto un’efficienza del 25,8% per le celle solari in perovskite a giunzione singola.

Nell'agosto 2022, l'Accademia cinese delle scienze ha registrato un'efficienza del 25,6%. Nell'ottobre 2020, il Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha raggiunto un'efficienza del 23,1% per tutte le celle solari tandem alla perovskite. Nel dicembre 2020, l'impianto fotovoltaico di Oxford nel Regno Unito ha stabilito un record con un'efficienza del 29,5% per le celle tandem in perovskite/silicio. Nel novembre 2021 il Centro Helmholtz tedesco ha aumentato questa percentuale al 29,8% e nel luglio 2022 l'EPFL svizzero ha raggiunto il 31,3%.

Il 3 novembre 2023, il Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili USA-Cina (NREL) ha certificato che una cella tandem a base di perovskite-silicio sviluppata dalla società fotovoltaica cinese Longi Green Energy ha raggiunto un'efficienza del 33,9%, il record più alto per le celle tandem a base di perovskite-silicio a livello mondiale. .

Barriere del settore

1. Barriere tecniche
Lo sviluppo delle celle solari alla perovskite richiede competenze tecniche significative e ricerca a lungo termine. I nuovi operatori nel settore delle celle solari alla perovskite devono affrontare la sfida di sfondare tecnologie critiche e ottenere applicazioni mature, il che può richiedere molto tempo e sforzi. La ricerca e la produzione di materiali, celle, moduli, pacchi batteria e sistemi di gestione delle batterie richiedono tutte elevate capacità tecniche. Senza padroneggiare queste tecnologie fondamentali, le aziende faranno fatica a produrre prodotti competitivi.

2. Barriere del marchio
Il settore delle celle solari alla perovskite presenta elevate barriere all’ingresso dei marchi. I fattori chiave che influenzano le scelte dei clienti includono la sicurezza del prodotto, la stabilità, la coerenza e le capacità di risposta rapida. In genere è necessario molto tempo prima che i prodotti vengano convalidati dal mercato e acquisiscano la fiducia dei clienti. Le aziende con forti capacità complessive e marchi affermati hanno maggiori probabilità di conquistare la fiducia dei clienti e di distinguersi nel settore.

3. Barriere di scala
Anche l’industria delle celle solari alla perovskite presenta notevoli barriere di scala. La produzione su larga scala beneficia delle economie di scala, offrendo alle aziende finanziariamente forti un vantaggio significativo nell’approvvigionamento delle materie prime e nelle operazioni di produzione. Inoltre, sono necessari investimenti continui per rimanere all’avanguardia nello sviluppo tecnologico. Solo le imprese di grandi dimensioni possono mantenere il proprio vantaggio competitivo attraverso l’innovazione e la ricerca continue.

Catena industriale

1. Analisi della catena del settore delle celle solari alla perovskite

La catena industriale delle celle solari alla perovskite è costituita da segmenti a monte, a medio e a valle. Il segmento a monte comprende materie prime e attrezzature, come composti di perovskite, materiali target, vetro TCO e materiali che assorbono la luce. Le attrezzature principali includono macchine di rivestimento, macchine laser, apparecchiature di deposizione e macchine di incapsulamento. Il segmento intermedio si concentra sulla produzione di celle solari in perovskite, mentre il segmento a valle comprende applicazioni nelle industrie fotovoltaiche, produzione di LED, catalizzatori, batterie metallo-aria, materiali per il rilevamento di gas e materiali di raffreddamento magnetico.

2. Analisi delle aziende leader

2.1 CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.)

Fondata nel 2011, CATL è uno dei principali produttori di batterie di potenza in Cina, concentrandosi su sistemi di alimentazione per veicoli a nuova energia, sistemi di accumulo di energia e altre applicazioni. Le loro tecnologie principali coprono l’intera catena del valore, dai materiali e dalle celle delle batterie all’integrazione dei sistemi e al riciclaggio delle batterie. CATL ha collaborato con diverse importanti case automobilistiche nazionali e ha stabilito una forte presenza nei mercati globali.

Nel campo delle celle solari alla perovskite, CATL considera le celle solari tandem alla perovskite come una tecnologia chiave del futuro e sta attivamente accelerando gli sforzi di ricerca e industrializzazione. Stanno inoltre promuovendo la produzione su scala pilota per promuovere le loro ambizioni nel settore fotovoltaico.

2.2 Longi Green Energy Technology Co., Ltd.

Fondata nel 2000, Longi Green Energy si impegna a diventare l'azienda di tecnologia solare di maggior valore al mondo. L'azienda si concentra sull'innovazione tecnologica, offrendo soluzioni che spaziano da wafer di silicio monocristallino, celle, moduli, sistemi fotovoltaici distribuiti ed energia dell'idrogeno. Con la missione del marchio di “sfruttare appieno i raggi del sole per creare un mondo energetico verde”, Longi è diventata un leader globale nella tecnologia ad alta efficienza basata sul silicio.

Nel novembre 2022, Longi ha stabilito un record mondiale per l'efficienza delle celle solari a base di silicio pari al 26,81%. Entro novembre 2023, Longi si è auto-sviluppatocella solare tandem in perovskiteha raggiunto un’efficienza del 33,9%, stabilendo un nuovo record mondiale. Nel 2023, i ricavi di Longi derivanti da moduli e celle sono aumentati del 16,91% su base annua, raggiungendo 99,199 miliardi di RMB, principalmente a causa delle maggiori vendite di moduli solari.

Stato attuale del settore

Attualmente, i produttori emergenti di celle solari alla perovskite in Cina stanno rapidamente entrando nel mercato, spingendo avanti l’industrializzazione delle celle solari alla perovskite. La tecnologia è ancora nelle fasi iniziali di commercializzazione, con iterazioni in corso nella struttura cellulare, nei sistemi di materiali, nei processi di produzione e nelle apparecchiature di produzione. I produttori di celle solari alla perovskite stanno convalidando attivamente vari percorsi tecnici e accelerando il processo di produzione di massa. Nel 2023, il tasso di penetrazione delle celle solari alla perovskite in Cina era pari allo 0,2%. Poiché la tecnologia continua a maturare, si prevede che il tasso di adozione delle celle solari alla perovskite aumenterà in futuro.

Opportunità e sfide future

Nonostante il futuro promettente per le celle solari alla perovskite, rimangono diverse sfide per la loro adozione su vasta scala. Uno degli ostacoli principali è la difficoltà nel raggiungere stabilità e affidabilità a lungo termine, poiché è noto che le celle solari in perovskite si degradano più rapidamente delle tradizionali celle a base di silicio. Inoltre, il costo delle celle solari alla perovskite deve essere ridotto per diventare competitive con altre tecnologie. Le aziende devono anche affrontare le sfide legate all’aumento della produzione e al superamento degli ostacoli normativi per garantire che le celle solari alla perovskite siano efficienti e convenienti.

Vantaggi delle celle solari alla perovskite

Le celle solari in perovskite offrono numerosi vantaggi significativi rispetto alle tradizionali celle solari a base di silicio, rendendole una tecnologia promettente per le future soluzioni energetiche. Di seguito sono riportati alcuni vantaggi chiave delle celle solari in perovskite:

1. Alta efficienza: L'efficienza delle celle solari alla perovskite è aumentata rapidamente negli ultimi anni, raggiungendo oltre il 25% per le celle a giunzione singola e persino superiore per le celle solari tandem alla perovskite. Questo rapido miglioramento è uno dei motivi principali per cui la tecnologia è considerata molto attraente.
2. Basso Costo: Uno dei principali vantaggi delle celle solari in perovskite è il loro minor costo di produzione. Il processo di produzione delle celle solari in perovskite è meno complesso e ad alta intensità energetica rispetto a quello delle tradizionali celle in silicio, il che porta a prezzi potenzialmente inferiori.
3. Leggero e flessibile: Le celle solari flessibili in perovskite possono essere prodotte su vari substrati, comprese le pellicole plastiche, rendendole ideali per applicazioni in cui leggerezza e flessibilità sono cruciali. Questa funzionalità apre nuove possibilità per soluzioni energetiche portatili e indossabili.
4. Bandgap personalizzabile: Il gap di banda delle celle solari in perovskite può essere regolato regolando la composizione chimica, consentendo loro di catturare uno spettro più ampio di luce solare. Questa proprietà è particolarmente vantaggiosa per la creazione di celle solari tandem con perovskite ad alta efficienza.

Applicazioni delle celle solari alla perovskite

Il applicazioni delle celle solari in perovskiteestendersi oltre le tradizionali installazioni solari sui tetti. La loro versatilità consente l'integrazione in un'ampia gamma di ambienti:

1. Fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV): Le applicazioni delle celle solari in perovskite includono l'incorporazione in materiali da costruzione come finestre e facciate. La trasparenza e l'estetica delle celle le rendono adatte ai progetti BIPV.
2. Dispositivi portatili e indossabili: La natura leggera delle celle solari flessibili in perovskite le rende ideali per l'elettronica su piccola scala, come caricabatterie portatili, dispositivi indossabili e sensori.
3. Industria automobilistica: Le celle solari alla perovskite possono essere integrate nei veicoli per fornire energia aggiuntiva all'elettronica di bordo o anche per caricare parzialmente i veicoli elettrici.
4. Applicazioni spaziali: A causa della loro leggerezza e delle loro proprietà di alta efficienza, le celle solari in perovskite vengono esplorate per l'uso nei pannelli solari spaziali.

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Sfide per la commercializzazione delle celle solari alla perovskite

Nonostante il loro potenziale, è necessario affrontare diverse sfide per la commercializzazione delle celle solari in perovskite prima che possano essere ampiamente adottate:

1. Problemi di stabilità: Una sfida significativa per i produttori di celle solari alla perovskite è garantire la stabilità a lungo termine in condizioni reali. L'esposizione all'umidità, all'ossigeno e alla luce UV può degradare i materiali delle celle, compromettendone la durata.
2. Scalabilità: La transizione dalla produzione su scala di laboratorio alla produzione su larga scala è un compito complesso. Mantenere un’elevata efficienza delle celle solari alla perovskite aumentando al contempo la produzione è un ostacolo fondamentale.
3. Preoccupazioni sulla tossicità: L'uso del piombo nelle celle solari alla perovskite solleva preoccupazioni per l'ambiente e la salute. I ricercatori stanno lavorando per sviluppare alternative senza piombo, ma queste devono ancora eguagliare le prestazioni delle tradizionali celle di perovskite.
4. Costo delle celle solari alla perovskite: Sebbene le celle solari alla perovskite siano più economiche da produrre rispetto alle celle al silicio, il prezzo complessivo delle celle solari alla perovskite deve diminuire ulteriormente per un’adozione diffusa sul mercato.

Struttura delle celle solari in perovskite

Il struttura delle celle solari in perovskiteè relativamente semplice rispetto alle tradizionali celle in silicio. Tipicamente include uno strato assorbente di perovskite inserito tra due strati di trasporto:

1. Strato di trasporto degli elettroni (ETL): Questo strato aiuta a trasferire gli elettroni generati nello strato di perovskite al circuito esterno.
2. Strato di perovskite: Lo strato di perovskite è il cuore della cellula, dove avvengono l'assorbimento della luce e la generazione di coppie elettrone-lacuna. Questo livello può essere personalizzato per ottimizzare le prestazioni della cella.
3. Strato di trasporto dei fori (HTL): Questo strato raccoglie i buchi (portatori di carica positiva) e li trasferisce al circuito.
4. Substrato: L'intera cella è solitamente costruita su un substrato, che può essere rigido (vetro) o flessibile (plastica), a seconda dell'applicazione.

Le celle solari alla perovskite sono disponibili in commercio?

Una domanda comune è: le celle solari alla perovskite sono disponibili in commercio? Attualmente, solo un numero limitato di produttori di celle solari a base di perovskite ha iniziato la commercializzazione su piccola scala. Alcune aziende offrono celle solari in perovskite per applicazioni di nicchia come l'elettronica portatile e scopi di ricerca. Tuttavia, l’adozione diffusa della produzione di energia su larga scala è ancora nelle fasi iniziali a causa delle sfide menzionate in precedenza. Con l’avanzamento della tecnologia e la diminuzione del prezzo delle celle solari in perovskite, si prevede che la disponibilità commerciale aumenterà.

Prospettive future

Il futuro delle celle solari alla perovskite è promettente, con la ricerca in corso volta a superare le barriere esistenti e migliorare le prestazioni. Gli sforzi continui per affrontare la stabilità, la scalabilità e le preoccupazioni ambientali saranno cruciali per il successo della commercializzazione delle celle solari alla perovskite. Di conseguenza, i produttori di celle solari alla perovskite stanno investendo molto in ricerca e sviluppo, rendendo questa tecnologia una tecnologia da tenere d’occhio nel mercato delle energie rinnovabili.

Come funzionano le celle solari alla perovskite?

Capire come funzionano le celle solari in perovskite richiede uno sguardo alla loro struttura unica e al modo in cui convertono la luce solare in elettricità. Il processo può essere riassunto in alcuni passaggi fondamentali:

1. Assorbimento della luce: Quando la luce solare colpisce la cella solare di perovskite, lo strato di perovskite assorbe fotoni, che poi eccitano gli elettroni nel materiale, creando coppie elettrone-lacuna (note anche come eccitoni).
2. Separazione della carica: Gli eccitoni sono separati in elettroni liberi e lacune, che vengono raccolti dagli strati di trasporto degli elettroni e delle lacune. Lo strato di trasporto degli elettroni (ETL) trasferisce gli elettroni all'elettrodo, mentre lo strato di trasporto delle lacune (HTL) dirige le lacune verso l'elettrodo opposto.
3. Raccolta addebiti: Gli elettroni e le lacune separati si spostano verso i rispettivi elettrodi, creando una corrente elettrica. Questa corrente può quindi essere utilizzata per alimentare dispositivi esterni.
4. Conversione energetica: L'elettricità generata è corrente continua (CC), che può essere convertita in corrente alternata (CA) per l'uso nella maggior parte delle applicazioni residenziali e commerciali.

Ottimizzando ogni strato e migliorando la qualità del materiale, i ricercatori stanno continuamente spingendo verso l’alto l’efficienza delle celle solari a base di perovskite.

Celle solari a perovskite invertita che utilizzano droganti a base di dimetilacridina

Recenti progressi hanno portato allo sviluppo di celle solari a perovskite invertita utilizzando droganti a base di dimetilacridina. Nelle celle di perovskite convenzionali, gli elettroni e le lacune viaggiano in una direzione particolare, ma le strutture invertite invertono questa configurazione. Le celle solari in perovskite invertita sono utili per ottenere una migliore stabilità e sono più facili da integrare in configurazioni tandem.

L'aggiunta di droganti a base di dimetilacridina migliora le prestazioni dello strato di trasporto delle lacune, aumentando l'efficienza complessiva della cella. Questa innovazione è un passo avanti verso la risoluzione di alcuni dei problemi di stabilità a lungo termine delle celle solari in perovskite.

Celle solari flessibili in perovskite

Le celle solari flessibili in perovskite rappresentano una tecnologia innovativa che può essere utilizzata in applicazioni in cui i tradizionali pannelli solari rigidi non sono adatti. Utilizzando substrati flessibili come plastica o fogli metallici sottili, queste celle possono essere piegate, arrotolate o addirittura piegate senza perdere efficienza. Ciò li rende ideali per soluzioni di alimentazione portatili, tecnologia indossabile e superfici curve come i tetti delle auto.

La sfida principale per le celle solari flessibili in perovskite è mantenere la stabilità e le prestazioni sotto stress meccanico. Tuttavia, la ricerca in corso è focalizzata sul miglioramento della durabilità e della durata di vita di queste celle flessibili, rendendole un’opzione promettente per le future soluzioni energetiche.

Produttori di celle solari alla perovskite

Attualmente, ci sono alcuni importanti produttori di celle solari alla perovskite che guidano la commercializzazione di questa tecnologia. Alcuni dei principali produttori di celle solari in perovskite includono:

1. Oxford fotovoltaico: Una società con sede nel Regno Unito specializzata in celle solari tandem alla perovskite. Oxford PV ha stabilito numerosi record di efficienza e ora è concentrata sull’aumento della produzione per uso commerciale.
2. Tecnologie Saule: un'azienda polacca pioniera delle celle solari flessibili in perovskite. Saule Technologies mira a portare le celle solari in perovskite in una varietà di applicazioni, dal fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) all'elettronica portatile.
3. GCL-Poly Energy Holdings: Una società cinese attivamente coinvolta nella ricerca e nello sviluppo di celle solari alla perovskite. GCL sta investendo in impianti di produzione su larga scala e prevede di entrare nel mercato commerciale nei prossimi anni.
4. Caccia alle tecnologie della perovskite: Con sede negli Stati Uniti, Hunt Perovskite Technologies sta lavorando per superare i problemi di stabilità delle celle solari in perovskite e mira a portare questa tecnologia nel mercato nordamericano.

Questi produttori di celle solari in perovskite stanno guidando l’innovazione e spingendo avanti il ​​settore. Man mano che la ricerca progredisce e la produzione aumenta, si prevede che sempre più aziende entreranno nel mercato.

Conclusione: potenziale futuro per le celle solari alla perovskite

Il futuro delle celle solari alla perovskite sembra promettente poiché i ricercatori continuano ad affrontare sfide come stabilità e scalabilità. Con le loro proprietà uniche e il potenziale di combinazione con le celle di silicio esistenti, tutte le celle solari tandem alla perovskite potrebbero presto portare a una nuova era nell’energia solare. Man mano che il costo delle celle solari in perovskite diminuisce e la tecnologia matura, si prevede che queste celle svolgeranno un ruolo chiave nel mercato globale delle energie rinnovabili, fornendo una soluzione più economica ed efficiente per la generazione di energia solare.