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

Perovskite solar cells are a type of third-generation solar cell that uses perovskite-structured organic-inorganic halide semiconductors as light-absorbing materials. These cells are often referred to as new-generation solar cells due to their unique structure and high efficiency. Currently, perovskite solar cells have reached a crucial stage for commercialization. According to 2023 data, the market penetration of perovskite solar cells in China was about 0.2%. As technology continues to evolve, the adoption rate of perovskite solar cells in China is expected to grow in the future.There are two main types of perovskite solar cells: single-junction and tandem perovskite solar cells. A single-junction cell contains a simple “sandwich” structure of perovskite layers. In contrast, perovskite tandem solar cells can stack multiple perovskite layers or combine them with traditional silicon-based cells to create a structure that captures a broader range of the solar spectrum. Depending on the materials used, tandem cells can follow different configurations, including silicon/perovskite tandem cells, all perovskite tandem solar cells, and thin-film/perovskite tandem cells such as CIGS/perovskite tandem cells.

Politiche di settore

In recent years, China has implemented multiple policies to encourage the development and innovation of the perovskite solar cell industry. In January 2023, the Ministry of Industry and Information Technology, along with five other departments, issued the "Guiding Opinions on Promoting the Development of the Energy Electronics Industry," which proposed coordinated development of perovskite solar cells (including perovskite/silicon tandem cells), amorphous/microcrystalline silicon thin-film cells, and other high-efficiency thin-film technologies. The goal is to expand the application fields to include BIPV components, automotive components, and outdoor applications.In March 2024, the Henan Provincial Government Office released the "Notice on Accelerating the Breakthrough of the 'Six New' Industries in Manufacturing," emphasizing the need to focus on the development of crystalline silicon photovoltaic cell materials and compound thin-film materials. This includes large-size single-crystal silicon, polycrystalline silicon, and thin-film technologies, as well as new high-efficiency perovskite solar cell materials and CIGS thin-film cells. The aim is to build a comprehensive industry chain covering silane, granular silicon, single-crystal silicon wafers, battery cells, and power stations.

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Storia delle celle solari alla perovskite

The history of perovskite solar cells began in 1839 when the German scientist Gustav Rose discovered the perovskite mineral. In 2006, perovskite solar cells were first used in photovoltaic applications. In 2009, Japanese scientist Miyasaka utilized perovskite materials as light absorbers in dye-sensitized solar cells, achieving a power conversion efficiency of 3.8%. By October 2021, researchers at the Korea Institute of Science and Technology achieved a 25.8% efficiency for single-junction perovskite solar cells.In August 2022, the Chinese Academy of Sciences reported an efficiency of 25.6%. In October 2020, the U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory achieved a 23.1% efficiency for all perovskite tandem solar cells. In December 2020, the UK's Oxford PV set a record with 29.5% efficiency for perovskite/silicon tandem cells. The German Helmholtz Center increased this to 29.8% in November 2021, and by July 2022, Switzerland's EPFL achieved 31.3%.On November 3, 2023, the U.S.-China National Renewable Energy Laboratory (NREL) certified that a perovskite-silicon tandem cell developed by Chinese photovoltaic company Longi Green Energy achieved an efficiency of 33.9%, the highest record for perovskite-silicon tandem cells worldwide.

Barriere del settore

1. Barriere tecnicheLo 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 marchioIl 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 scalaAnche 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

The perovskite solar cell industry chain consists of upstream, midstream, and downstream segments. The upstream segment includes raw materials and equipment, such as perovskite compounds, target materials, TCO glass, and light-absorbing materials. Key equipment includes coating machines, laser machines, deposition equipment, and encapsulation machines. The midstream focuses on perovskite solar cell manufacturing, while the downstream segment involves applications in photovoltaic industries, LED production, catalysts, metal-air batteries, gas-sensing materials, and magnetic cooling materials.

2. Analisi delle aziende leader

2.1 CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.)Founded in 2011, CATL is one of the leading manufacturers of power batteries in China, focusing on new energy vehicle power systems, energy storage systems, and other applications. Their core technologies cover the entire value chain, from materials and battery cells to system integration and battery recycling. CATL has partnered with several leading domestic automakers and established a strong presence in global markets.In the perovskite solar cell field, CATL views perovskite tandem solar cells as a key future technology and is actively accelerating research and industrialization efforts. They are also advancing pilot-scale production to further their ambitions in the photovoltaic sector.2.2 Longi Green Energy Technology Co., Ltd.Established in 2000, Longi Green Energy is committed to becoming the world's most valuable solar technology company. The company focuses on technological innovation, offering solutions across monocrystalline silicon wafers, cells, modules, distributed photovoltaic systems, and hydrogen energy. With a brand mission of “making full use of the sun’s rays to create a green energy world,” Longi has become a global leader in high-efficiency silicon-based technology.In November 2022, Longi set a world record for silicon-based solar cell efficiency at 26.81%. By November 2023, Longi’s self-developed cella 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

Currently, emerging perovskite solar cell manufacturers in China are rapidly entering the market, pushing the industrialization of perovskite solar cells forward. The technology is still in its early stages of commercialization, with ongoing iterations in cell structure, material systems, manufacturing processes, and production equipment. Perovskite solar cell manufacturers are actively validating various technical pathways and accelerating the process of mass production. As of 2023, the penetration rate of perovskite solar cells in China stood at 0.2%. As the technology continues to mature, the adoption rate of perovskite solar cells is expected to increase in the future.

Opportunità e sfide future

Despite the promising future for perovskite solar cells, several challenges remain for their widespread adoption. One of the main obstacles is the difficulty in achieving long-term stability and reliability, as perovskite solar cells are known to degrade faster than traditional silicon-based cells. Additionally, the cost of perovskite solar cells must be reduced to become competitive with other technologies. Companies must also address the challenges of scaling up production and overcoming regulatory hurdles to ensure that perovskite solar cells are both efficient and affordable.

Vantaggi delle celle solari alla perovskite

Perovskite solar cells offer several significant advantages compared to traditional silicon-based solar cells, making them a promising technology for future energy solutions. Below are some key advantages of perovskite solar cells:

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

The 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): Perovskite solar cell applications include incorporation into building materials like windows and facades. The cells' transparency and aesthetic appeal make them suitable for BIPV projects.
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

Despite their potential, several challenges for commercializing perovskite solar cells need to be addressed before they can be widely adopted:

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

The 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?

One common question is: are perovskite solar cells commercially available? Currently, only a limited number of perovskite solar cell manufacturers have begun small-scale commercialization. Some companies are offering perovskite solar cells for niche applications such as portable electronics and research purposes. However, widespread adoption for large-scale power generation is still in the early stages due to the challenges mentioned earlier. As technology advances and perovskite solar cell price decreases, commercial availability is expected to expand.

Prospettive future

The future of perovskite solar cells is promising, with ongoing research aimed at overcoming existing barriers and enhancing performance. Continuous efforts to address stability, scalability, and environmental concerns will be crucial for the successful commercialization of perovskite solar cells. As a result, perovskite solar cell manufacturers are investing heavily in research and development, making this technology one to watch in the renewable energy market.

Come funzionano le celle solari alla perovskite?

Understanding how perovskite solar cells work requires a look into their unique structure and the way they convert sunlight into electricity. The process can be summarized in a few key steps:

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.

By optimizing each layer and improving the material quality, researchers are continually pushing the efficiency of perovskite solar cells higher.

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

Recent advancements have led to the development of inverted perovskite solar cells using dimethylacridine-based dopants. In conventional perovskite cells, the electrons and holes travel in a particular direction, but inverted structures reverse this configuration. Inverted perovskite solar cells are beneficial for achieving better stability and are easier to integrate into tandem configurations.The addition of dimethylacridine-based dopants enhances the performance of the hole transport layer, increasing the overall efficiency of the cell. This innovation is a step toward solving some of the long-term stability issues of perovskite solar cells.

Celle solari flessibili in perovskite

Flexible perovskite solar cells are a breakthrough technology that can be used in applications where traditional rigid solar panels are not suitable. By using flexible substrates such as plastic or thin metal foils, these cells can be bent, rolled, or even folded without losing efficiency. This makes them ideal for portable power solutions, wearable technology, and curved surfaces such as car roofs.The main challenge for flexible perovskite solar cells is maintaining stability and performance under mechanical stress. However, ongoing research is focused on improving the durability and lifespan of these flexible cells, making them a promising option for future energy solutions.

Produttori di celle solari alla perovskite

Currently, there are a few key perovskite solar cell manufacturers leading the charge in commercializing this technology. Some of the top perovskite solar cell manufacturers include:

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.

These perovskite solar cell manufacturers are leading innovation and pushing the industry forward. As research progresses and production scales up, more companies are expected to join the market.

Conclusione: potenziale futuro per le celle solari alla perovskite

The future of perovskite solar cells looks promising as researchers continue to address challenges such as stability and scalability. With their unique properties and potential to combine with existing silicon cells, all perovskite tandem solar cells could soon lead to a new era in solar energy. As the cost of perovskite solar cells decreases and the technology matures, it is expected that these cells will play a key role in the global renewable energy market, providing a more affordable and efficient solution for solar power generation.

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