2024 Le celle solari in perovskite sono disponibili in commercio?

Le celle solari a perovskite stanno guadagnando slancio come nuova generazione di tecnologia fotovoltaica grazie alla loro elevata efficienza e ai bassi costi di produzione. Grazie ai recenti progressi nelle celle solari tandem a perovskite, che possono raggiungere un'efficienza superiore a 301 TP³T, il mercato sta assistendo a un crescente interesse per l'adozione di queste celle. Nel 2023, il tasso di penetrazione delle celle solari a perovskite in Cina era di circa 0,21 TP³T, indicando una presenza limitata ma in crescita. Tuttavia, la ricerca in corso e le politiche industriali di supporto probabilmente ne stimoleranno l'adozione nei prossimi anni.

Celle solari a perovskite: definizione e classificazione

Le celle solari a perovskite sono un tipo di cella solare di terza generazione che utilizza semiconduttori agli alogenuri organici-inorganici con struttura a perovskite come materiali che assorbono la luce. Queste celle sono spesso definite celle solari di nuova generazione per la loro struttura unica e l'elevata efficienza. Attualmente, le celle solari a perovskite hanno raggiunto una fase cruciale per la commercializzazione. Secondo i dati del 2023, la penetrazione di mercato delle celle solari a perovskite in Cina era di circa 0,21 TP³T. Con la continua evoluzione della tecnologia, si prevede che il tasso di adozione delle celle solari a perovskite in Cina crescerà in futuro.

Esistono due tipi principali di celle solari a perovskite: celle solari a perovskite a giunzione singola e celle solari a perovskite tandem. Una cella a giunzione singola contiene una semplice struttura a "sandwich" di strati di perovskite. Al contrario, le celle solari a perovskite tandem possono impilare più strati di perovskite o combinarli con celle tradizionali al 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, tra cui celle tandem silicio/perovskite, celle solari tandem interamente a perovskite e celle tandem a film sottile/perovskite come le celle tandem CIGS/perovskite.

Politiche industriali

Negli ultimi anni, la Cina ha implementato numerose politiche per incoraggiare lo sviluppo e l'innovazione del settore delle celle solari a perovskite. Nel gennaio 2023, il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica, insieme ad altri cinque dipartimenti, ha pubblicato i "Pareri guida per la promozione dello sviluppo del settore dell'elettronica energetica", proponendo lo sviluppo coordinato di celle solari a perovskite (incluse celle tandem perovskite/silicio), celle a film sottile in silicio amorfo/microcristallino e altre tecnologie a film sottile ad alta efficienza. L'obiettivo è quello di ampliare i campi di applicazione includendo componenti BIPV, componenti per autoveicoli e applicazioni outdoor.

Nel marzo 2024, l'Ufficio del Governo Provinciale dell'Henan ha pubblicato l'"Avviso sull'accelerazione dell'innovazione nelle '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. Tra questi rientrano le tecnologie del silicio monocristallino di grandi dimensioni, del silicio policristallino e a film sottile, nonché nuovi materiali per celle solari a perovskite ad alta efficienza e celle a film sottile CIGS. L'obiettivo è quello di costruire una filiera industriale completa che comprenda silano, silicio granulare, wafer di silicio monocristallino, celle per batterie e centrali elettriche.

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Storia delle celle solari in perovskite

La storia delle celle solari a perovskite inizia nel 1839, quando lo scienziato tedesco Gustav Rose scoprì il minerale perovskite. Nel 2006, le celle solari a perovskite furono utilizzate per la prima volta in applicazioni fotovoltaiche. Nel 2009, lo scienziato giapponese Miyasaka utilizzò materiali a perovskite come assorbitori di luce in celle solari a coloranti sensibilizzati, raggiungendo un'efficienza di conversione di potenza di 3,81 TP³T. Entro ottobre 2021, i ricercatori del Korea Institute of Science and Technology hanno raggiunto un'efficienza di 25,81 TP³T per celle solari a perovskite a giunzione singola.

Nell'agosto 2022, l'Accademia Cinese delle Scienze ha riportato un'efficienza di 25,61 TP³T. Nell'ottobre 2020, il Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha raggiunto un'efficienza di 23,11 TP³T per tutte le celle solari tandem a perovskite. Nel dicembre 2020, l'Oxford PV del Regno Unito ha stabilito un record con un'efficienza di 29,51 TP³T per celle tandem a perovskite/silicio. Il Centro Helmholtz tedesco ha aumentato questo valore a 29,81 TP³T nel novembre 2021 e, a luglio 2022, l'EPFL svizzero ha raggiunto 31,31 TP³T.

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

Barriere industriali

1. Barriere tecniche
Lo sviluppo di celle solari a perovskite richiede notevoli competenze tecniche e una ricerca a lungo termine. I nuovi operatori del settore delle celle solari a perovskite si trovano ad affrontare la sfida di innovare tecnologie critiche e raggiungere applicazioni mature, il che può richiedere tempi e sforzi considerevoli. La ricerca e la produzione di materiali, celle, moduli, pacchi batteria e sistemi di gestione delle batterie richiedono elevate capacità tecniche. Senza la padronanza di queste tecnologie fondamentali, le aziende avranno difficoltà a realizzare prodotti competitivi.

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

3. Barriere di scala
L'industria delle celle solari a perovskite presenta anche notevoli barriere di scala. La produzione su larga scala beneficia delle economie di scala, offrendo alle aziende finanziariamente solide 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 grandi imprese possono mantenere il proprio vantaggio competitivo attraverso l'innovazione e la ricerca costanti.

Catena industriale

1. Analisi della catena industriale delle celle solari a perovskite

La filiera delle celle solari a perovskite è composta da segmenti upstream, midstream e downstream. Il segmento upstream comprende materie prime e attrezzature, come composti di perovskite, materiali target, vetro TCO e materiali fotoassorbenti. Le attrezzature principali includono macchine di rivestimento, macchine laser, apparecchiature di deposizione e macchine per l'incapsulamento. Il segmento midstream si concentra sulla produzione di celle solari a perovskite, mentre il segmento downstream comprende applicazioni nell'industria fotovoltaica, nella produzione di LED, nei catalizzatori, nelle batterie metallo-aria, nei materiali di rilevamento gas e nei 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 in Cina, focalizzato su sistemi di alimentazione per veicoli a energia rinnovabile, sistemi di accumulo di energia e altre applicazioni. Le sue tecnologie principali coprono l'intera catena del valore, dai materiali e dalle celle delle batterie all'integrazione di sistema e al riciclaggio delle batterie. CATL ha collaborato con diverse importanti case automobilistiche nazionali e ha consolidato una solida presenza sui mercati globali.

Nel campo delle celle solari a perovskite, CATL considera le celle solari tandem a perovskite una tecnologia chiave per il futuro e sta attivamente accelerando gli sforzi di ricerca e industrializzazione. Sta inoltre promuovendo la produzione su scala pilota per promuovere le proprie 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 più quotata al mondo. L'azienda si concentra sull'innovazione tecnologica, offrendo soluzioni che spaziano tra wafer di silicio monocristallino, celle, moduli, sistemi fotovoltaici distribuiti e energia a idrogeno. Con la missione del marchio di "sfruttare appieno i raggi del sole per creare un mondo a energia verde", Longi è diventata 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 al silicio, pari a 26,811 TP3T. Entro novembre 2023, il sistema sviluppato internamente da Longi cella solare tandem a perovskite ha raggiunto un'efficienza di 33,91 TP3T, stabilendo un nuovo record globale. Nel 2023, il fatturato di Longi da moduli e celle è aumentato di 16,911 TP3T su base annua, raggiungendo i 99,199 miliardi di RMB, principalmente grazie all'aumento delle vendite di moduli solari.

Stato attuale del settore

Attualmente, i produttori emergenti di celle solari a perovskite in Cina stanno rapidamente entrando nel mercato, accelerando l'industrializzazione delle celle solari a perovskite. La tecnologia è ancora nelle sue prime fasi di commercializzazione, con iterazioni in corso nella struttura delle celle, nei sistemi di materiali, nei processi di produzione e nelle attrezzature di produzione. I produttori di celle solari a perovskite stanno convalidando attivamente diversi percorsi tecnici e accelerando il processo di produzione di massa. Al 2023, il tasso di penetrazione delle celle solari a perovskite in Cina era di 0,21 TP³T. Con il continuo sviluppo della tecnologia, si prevede che il tasso di adozione delle celle solari a perovskite aumenterà in futuro.

Opportunità e sfide future

Nonostante il futuro promettente delle celle solari a perovskite, permangono diverse sfide per la loro adozione su larga scala. Uno dei principali ostacoli è la difficoltà nel raggiungere stabilità e affidabilità a lungo termine, poiché è noto che le celle solari a perovskite si degradano più rapidamente delle tradizionali celle al silicio. Inoltre, il costo delle celle solari a 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 a perovskite siano efficienti e convenienti.

Vantaggi delle celle solari Perovskite

Le celle solari a perovskite offrono diversi vantaggi significativi rispetto alle tradizionali celle solari al silicio, rendendole una tecnologia promettente per le soluzioni energetiche del futuro. Di seguito sono riportati alcuni dei principali vantaggi delle celle solari a perovskite:

1. Alta efficienza: L'efficienza delle celle solari a perovskite è aumentata rapidamente negli ultimi anni, raggiungendo oltre 251 TP3T per le celle a giunzione singola e ancora più elevata per le celle solari tandem a perovskite. Questo rapido miglioramento è uno dei motivi principali per cui la tecnologia è considerata molto interessante.
2. Basso costoUno dei principali vantaggi delle celle solari a perovskite è il loro costo di produzione inferiore. Il processo di produzione delle celle solari a perovskite è meno complesso e richiede meno energia rispetto a quello delle tradizionali celle al silicio, il che si traduce in prezzi potenzialmente inferiori.
3. Leggero e flessibileLe celle solari flessibili in perovskite possono essere prodotte su vari substrati, inclusi film plastici, rendendole ideali per applicazioni in cui leggerezza e flessibilità sono cruciali. Questa caratteristica apre nuove possibilità per soluzioni energetiche portatili e indossabili.
4. Bandgap personalizzabile: Il bandgap delle celle solari a perovskite può essere regolato modificando 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 ad alta efficienza, tutte a perovskite.

Applicazioni delle celle solari in perovskite

IL applicazioni delle celle solari a perovskite vanno oltre i tradizionali impianti solari sui tetti. La loro versatilità consente l'integrazione in un'ampia gamma di contesti:

1. Fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV): Le applicazioni delle celle solari in perovskite includono l'integrazione in materiali da costruzione come finestre e facciate. La trasparenza e l'aspetto estetico delle celle le rendono adatte ai progetti BIPV.
2. Dispositivi portatili e indossabili:La natura leggera delle celle solari perovskite flessibili le rende ideali per l'elettronica di piccole dimensioni, come caricabatterie portatili, dispositivi indossabili e sensori.
3. Industria automobilistica:Le celle solari Perovskite possono essere integrate nei veicoli per fornire energia aggiuntiva all'elettronica di bordo o addirittura per caricare parzialmente i veicoli elettrici.
4. Applicazioni spaziali: Grazie alla loro leggerezza e alle proprietà di elevata efficienza, le celle solari in perovskite vengono studiate per essere utilizzate nei pannelli solari spaziali.

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Sfide per la commercializzazione delle celle solari in perovskite

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

1. Problemi di stabilità: Una sfida significativa per i produttori di celle solari a perovskite è garantire la stabilità a lungo termine in condizioni reali. L'esposizione a umidità, ossigeno e luce UV può degradare i materiali delle celle, compromettendone la durata.
2. Scalabilità: Passare dalla produzione su scala di laboratorio alla produzione su larga scala è un compito complesso. Mantenere un'elevata efficienza delle celle solari a perovskite durante l'aumento di produzione è un ostacolo fondamentale.
3. Preoccupazioni di tossicità: L'uso del piombo nelle celle solari a perovskite solleva preoccupazioni ambientali e sanitarie. I ricercatori stanno lavorando per sviluppare alternative senza piombo, ma queste non hanno ancora raggiunto le prestazioni delle tradizionali celle a perovskite.
4. Costo delle celle solari in perovskite:Sebbene le celle solari in perovskite siano più economiche da produrre rispetto alle celle in silicio, il prezzo complessivo delle celle solari in perovskite deve diminuire ulteriormente affinché siano ampiamente adottate sul mercato.

Struttura delle celle solari in perovskite

IL struttura delle celle solari perovskite è relativamente semplice rispetto alle tradizionali celle al 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 cella, dove avviene l'assorbimento della luce e la generazione di coppie elettrone-lacuna. Questo strato può essere personalizzato per ottimizzare le prestazioni della cella.
3. Livello di trasporto dei fori (HTL):Questo strato raccoglie le lacune (portatori di carica positiva) e le 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 in perovskite sono disponibili in commercio?

Una domanda frequente è: le celle solari a perovskite sono disponibili in commercio? Attualmente, solo un numero limitato di produttori di celle solari a perovskite ha avviato la commercializzazione su piccola scala. Alcune aziende offrono celle solari a perovskite per applicazioni di nicchia come l'elettronica portatile e la ricerca. Tuttavia, l'adozione diffusa per la generazione di energia su larga scala è ancora in fase iniziale a causa delle difficoltà menzionate in precedenza. Con il progresso tecnologico e la diminuzione del prezzo delle celle solari a perovskite, si prevede un'espansione della disponibilità commerciale.

Prospettive future

Il futuro delle celle solari a perovskite è promettente, con la ricerca in corso volta a superare gli ostacoli esistenti e a migliorarne le prestazioni. L'impegno costante per affrontare la stabilità, la scalabilità e le problematiche ambientali sarà fondamentale per il successo della commercializzazione delle celle solari a perovskite. Di conseguenza, i produttori di celle solari a perovskite stanno investendo massicciamente in ricerca e sviluppo, rendendo questa tecnologia un punto di riferimento nel mercato delle energie rinnovabili.

Come funzionano le celle solari in perovskite?

Per comprendere il funzionamento delle celle solari a perovskite è necessario analizzare la loro struttura unica e il modo in cui convertono la luce solare in elettricità. Il processo può essere riassunto in pochi passaggi chiave:

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

Ottimizzando ogni strato e migliorando la qualità del materiale, i ricercatori continuano a incrementare costantemente l'efficienza delle celle solari in perovskite.

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

Recenti progressi hanno portato allo sviluppo di celle solari a perovskite invertita che utilizzano droganti a base di dimetilacridina. Nelle celle a perovskite convenzionali, elettroni e lacune viaggiano in una direzione specifica, ma le strutture invertite invertono questa configurazione. Le celle solari a perovskite invertita sono vantaggiose 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 rappresenta un passo avanti verso la risoluzione di alcuni dei problemi di stabilità a lungo termine delle celle solari a perovskite.

Celle solari flessibili in perovskite

Le celle solari a perovskite flessibile rappresentano una tecnologia rivoluzionaria che può essere utilizzata in applicazioni in cui i tradizionali pannelli solari rigidi non sono adatti. Utilizzando substrati flessibili come plastica o sottili lamine metalliche, queste celle possono essere piegate, arrotolate o persino ripiegate senza perdere efficienza. Questo le rende ideali per soluzioni di alimentazione portatili, dispositivi indossabili e superfici curve come i tetti delle auto.

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

Produttori di celle solari Perovskite

Attualmente, alcuni importanti produttori di celle solari a perovskite sono in prima linea nella commercializzazione di questa tecnologia. Tra i principali produttori di celle solari a perovskite figurano:

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

Questi produttori di celle solari a perovskite stanno guidando l'innovazione e spingendo il settore verso il progresso. Con il progredire della ricerca e l'aumento della produzione, si prevede che altre aziende entreranno nel mercato.

Conclusione: potenziale futuro per le celle solari in perovskite

Il futuro delle celle solari a perovskite appare promettente, poiché i ricercatori continuano ad affrontare sfide come la stabilità e la scalabilità. Grazie alle loro proprietà uniche e alla possibilità di combinarsi con le celle al silicio esistenti, tutte le celle solari tandem a perovskite potrebbero presto inaugurare una nuova era nell'energia solare. Con la riduzione del costo delle celle solari a perovskite e il perfezionamento della tecnologia, si prevede che queste celle svolgeranno un ruolo chiave nel mercato globale delle energie rinnovabili, offrendo una soluzione più economica ed efficiente per la generazione di energia solare.

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