2024 As células solares de perovskita estarão disponíveis comercialmente?

As células solares de perovskita estão ganhando força como uma nova geração de tecnologia fotovoltaica devido à sua alta eficiência e baixo custo de fabricação. Com os recentes avanços nas células solares tandem de perovskita, que podem atingir uma eficiência superior a 30%, o mercado está testemunhando um interesse crescente na adoção dessas células. Em 2023, a taxa de penetração de células solares de perovskita na China foi de apenas 0,2%, indicando uma presença pequena, mas crescente. No entanto, pesquisas em andamento e políticas de apoio da indústria provavelmente impulsionarão a adoção nos próximos anos.

Células solares de perovskita: definição e classificação

As células solares de perovskita são um tipo de célula solar de terceira geração que utiliza semicondutores de haletos orgânicos e inorgânicos estruturados em perovskita como materiais absorvedores de luz. Essas células são frequentemente chamadas de células solares de nova geração devido à sua estrutura única e alta eficiência. Atualmente, as células solares de perovskita atingiram um estágio crucial para a comercialização. De acordo com dados de 2023, a penetração de mercado das células solares de perovskita na China era de cerca de 0,2%. Com a evolução contínua da tecnologia, espera-se que a taxa de adoção das células solares de perovskita na China aumente no futuro.

Existem dois tipos principais de células solares de perovskita: células solares de perovskita de junção única e células solares de perovskita em tandem. Uma célula de junção única contém uma estrutura simples em "sanduíche" de camadas de perovskita. Em contraste, as células solares tandem de perovskita podem empilhar múltiplas camadas de perovskita ou combiná-las com células tradicionais à base de silício para criar uma estrutura que captura uma faixa mais ampla do espectro solar. Dependendo dos materiais utilizados, as células tandem podem seguir diferentes configurações, incluindo células tandem de silício/perovskita, células solares tandem totalmente de perovskita e células tandem de filme fino/perovskita, como as células tandem CIGS/perovskita.

Políticas da Indústria

Nos últimos anos, a China implementou diversas políticas para incentivar o desenvolvimento e a inovação da indústria de células solares de perovskita. Em janeiro de 2023, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação, juntamente com outros cinco departamentos, emitiu as "Opiniões Orientadoras sobre a Promoção do Desenvolvimento da Indústria de Eletrônica de Energia", que propunham o desenvolvimento coordenado de células solares de perovskita (incluindo células tandem de perovskita/silício), células de película fina de silício amorfo/microcristalino e outras tecnologias de película fina de alta eficiência. O objetivo é expandir os campos de aplicação para incluir componentes BIPV, componentes automotivos e aplicações externas.

Em março de 2024, o Gabinete do Governo Provincial de Henan divulgou o "Aviso sobre a Aceleração do Avanço das 'Seis Novas' Indústrias na Manufatura", enfatizando a necessidade de se concentrar no desenvolvimento de materiais para células fotovoltaicas de silício cristalino e materiais compostos de película fina. Isso inclui silício monocristalino de grande porte, silício policristalino e tecnologias de película fina, bem como novos materiais para células solares de perovskita de alta eficiência e células de película fina CIGS. O objetivo é construir uma cadeia industrial abrangente, abrangendo silano, silício granular, wafers de silício monocristalino, células de bateria e usinas de energia.

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História das células solares de perovskita

A história das células solares de perovskita começou em 1839, quando o cientista alemão Gustav Rose descobriu o mineral perovskita. Em 2006, as células solares de perovskita foram utilizadas pela primeira vez em aplicações fotovoltaicas. Em 2009, o cientista japonês Miyasaka utilizou materiais de perovskita como absorvedores de luz em células solares sensibilizadas por corantes, alcançando uma eficiência de conversão de energia de 3,81 TP3T. Em outubro de 2021, pesquisadores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia alcançaram uma eficiência de 25,81 TP3T para células solares de perovskita de junção única.

Em agosto de 2022, a Academia Chinesa de Ciências relatou uma eficiência de 25,6%. Em outubro de 2020, o Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia dos EUA atingiu uma eficiência de 23,1% para todas as células solares tandem de perovskita. Em dezembro de 2020, a Oxford PV do Reino Unido estabeleceu um recorde com uma eficiência de 29,5% para células tandem de perovskita/silício. O Centro Helmholtz alemão aumentou essa eficiência para 29,8% em novembro de 2021 e, em julho de 2022, a EPFL da Suíça atingiu 31,3%.

Em 3 de novembro de 2023, o Laboratório Nacional de Energia Renovável EUA-China (NREL) certificou que uma célula tandem de perovskita-silício desenvolvida pela empresa fotovoltaica chinesa Longi Green Energy atingiu uma eficiência de 33,9%, o maior recorde para células tandem de perovskita-silício no mundo.

Barreiras da Indústria

1. Barreiras técnicas
O desenvolvimento de células solares de perovskita exige expertise técnica significativa e pesquisa de longo prazo. Novos participantes do setor de células solares de perovskita enfrentam o desafio de romper com tecnologias críticas e alcançar aplicações maduras, o que pode demandar tempo e esforço consideráveis. A pesquisa e a produção de materiais, células, módulos, conjuntos de baterias e sistemas de gerenciamento de baterias exigem alta capacidade técnica. Sem o domínio dessas tecnologias essenciais, as empresas terão dificuldade em produzir produtos competitivos.

2. Barreiras de marca
O setor de células solares de perovskita enfrenta altas barreiras de entrada para marcas. Os principais fatores que influenciam as escolhas dos clientes incluem segurança, estabilidade, consistência e capacidade de resposta rápida do produto. Normalmente, leva muito tempo para que os produtos sejam validados pelo mercado e conquistem a confiança do cliente. Empresas com fortes capacidades gerais e marcas consolidadas têm maior probabilidade de conquistar a confiança do cliente e se destacar no setor.

3. Barreiras de escala
A indústria de células solares de perovskita também enfrenta barreiras de escala substanciais. A produção em larga escala se beneficia de economias de escala, proporcionando às empresas financeiramente sólidas uma vantagem significativa na aquisição de matéria-prima e nas operações de produção. Além disso, o investimento contínuo é necessário para se manter à frente no desenvolvimento tecnológico. Somente empresas de grande porte podem manter sua vantagem competitiva por meio de inovação e pesquisa contínuas.

Cadeia Industrial

1. Análise da cadeia industrial de células solares de perovskita

A cadeia da indústria de células solares de perovskita é composta por segmentos upstream, midstream e downstream. O segmento upstream inclui matérias-primas e equipamentos, como compostos de perovskita, materiais alvo, vidro TCO e materiais absorvedores de luz. Os principais equipamentos incluem máquinas de revestimento, máquinas a laser, equipamentos de deposição e máquinas de encapsulamento. O segmento midstream concentra-se na fabricação de células solares de perovskita, enquanto o segmento downstream envolve aplicações em indústrias fotovoltaicas, produção de LED, catalisadores, baterias metal-ar, materiais de detecção de gás e materiais de resfriamento magnético.

2. Análise das Empresas Líderes

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

Fundada em 2011, a CATL é uma das principais fabricantes de baterias de energia na China, com foco em sistemas de energia para veículos de nova geração, sistemas de armazenamento de energia e outras aplicações. Suas principais tecnologias abrangem toda a cadeia de valor, desde materiais e células de bateria até integração de sistemas e reciclagem de baterias. A CATL firmou parcerias com diversas montadoras nacionais líderes e estabeleceu uma forte presença nos mercados globais.

No campo das células solares de perovskita, a CATL considera as células solares tandem de perovskita uma tecnologia fundamental para o futuro e está acelerando ativamente os esforços de pesquisa e industrialização. A CATL também está promovendo a produção em escala piloto para impulsionar suas ambições no setor fotovoltaico.

2.2 Longi Green Energy Technology Co., Ltd.

Fundada em 2000, a Longi Green Energy está comprometida em se tornar a empresa de tecnologia solar mais valiosa do mundo. A empresa se concentra em inovação tecnológica, oferecendo soluções em wafers de silício monocristalino, células, módulos, sistemas fotovoltaicos distribuídos e energia de hidrogênio. Com a missão da marca de "aproveitar ao máximo os raios solares para criar um mundo de energia verde", a Longi se tornou líder global em tecnologia de alta eficiência à base de silício.

Em novembro de 2022, a Longi estabeleceu um recorde mundial de eficiência de células solares à base de silício com 26.81%. Em novembro de 2023, a célula solar desenvolvida pela Longi célula solar tandem de perovskita Atingiu uma eficiência de 33,91 TP3T, estabelecendo um novo recorde global. Em 2023, a receita da Longi com módulos e células aumentou 16,911 TP3T em relação ao ano anterior, atingindo 99,199 bilhões de RMB, principalmente devido ao aumento nas vendas de módulos solares.

Situação atual da indústria

Atualmente, novos fabricantes de células solares de perovskita na China estão entrando rapidamente no mercado, impulsionando a industrialização dessas células. A tecnologia ainda está em seus estágios iniciais de comercialização, com iterações contínuas na estrutura da célula, sistemas de materiais, processos de fabricação e equipamentos de produção. Os fabricantes de células solares de perovskita estão validando ativamente diversos caminhos técnicos e acelerando o processo de produção em massa. Em 2023, a taxa de penetração de células solares de perovskita na China era de 0,2%. À medida que a tecnologia continua a amadurecer, espera-se que a taxa de adoção de células solares de perovskita aumente no futuro.

Oportunidades e desafios futuros

Apesar do futuro promissor das células solares de perovskita, ainda existem vários desafios para sua ampla adoção. Um dos principais obstáculos é a dificuldade em alcançar estabilidade e confiabilidade a longo prazo, visto que as células solares de perovskita se degradam mais rapidamente do que as células tradicionais à base de silício. Além disso, o custo das células solares de perovskita precisa ser reduzido para que se tornem competitivas com outras tecnologias. As empresas também precisam enfrentar os desafios de aumentar a produção e superar as barreiras regulatórias para garantir que as células solares de perovskita sejam eficientes e acessíveis.

Vantagens das células solares de perovskita

As células solares de perovskita oferecem diversas vantagens significativas em comparação com as células solares tradicionais à base de silício, tornando-as uma tecnologia promissora para futuras soluções energéticas. Abaixo, algumas das principais vantagens das células solares de perovskita:

1. Alta EficiênciaA eficiência das células solares de perovskita aumentou rapidamente nos últimos anos, atingindo mais de 25% para células de junção única e ainda mais para células solares tandem de perovskita. Essa rápida melhoria é um dos principais motivos pelos quais a tecnologia é considerada altamente atrativa.
2. Baixo custo: Um dos principais benefícios das células solares de perovskita é seu menor custo de produção. O processo de fabricação das células solares de perovskita é menos complexo e consome menos energia do que o das células de silício tradicionais, resultando em preços potencialmente mais baixos.
3. Leve e flexível: Células solares flexíveis de perovskita podem ser produzidas em diversos substratos, incluindo filmes plásticos, tornando-as ideais para aplicações onde leveza e flexibilidade são cruciais. Essa característica abre novas possibilidades para soluções de energia portáteis e vestíveis.
4. Bandgap personalizável: A banda proibida das células solares de perovskita pode ser ajustada ajustando a composição química, permitindo que capturem um espectro mais amplo de luz solar. Essa propriedade é especialmente benéfica para a criação de células solares tandem de perovskita de alta eficiência.

Aplicações de células solares de perovskita

O aplicações de células solares de perovskita vão além das instalações solares convencionais em telhados. Sua versatilidade permite a integração em uma ampla gama de ambientes:

1. Energia Fotovoltaica Integrada em Edifícios (BIPV): As aplicações de células solares de perovskita incluem a incorporação em materiais de construção, como janelas e fachadas. A transparência e o apelo estético das células as tornam adequadas para projetos BIPV.
2. Dispositivos portáteis e vestíveis:A natureza leve das células solares de perovskita flexíveis as torna ideais para eletrônicos de pequena escala, como carregadores portáteis, dispositivos vestíveis e sensores.
3. Indústria automotiva: Células solares de perovskita podem ser integradas aos veículos para fornecer energia adicional para componentes eletrônicos de bordo ou até mesmo carregar parcialmente os veículos elétricos.
4. Aplicações Espaciais:Devido às suas propriedades leves e de alta eficiência, as células solares de perovskita estão sendo exploradas para uso em painéis solares espaciais.

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Desafios para a comercialização de células solares de perovskita

Apesar do seu potencial, vários desafios para a comercialização de células solares de perovskita precisam ser enfrentados antes que elas possam ser amplamente adotadas:

1. Problemas de estabilidade: Um desafio significativo para os fabricantes de células solares de perovskita é garantir a estabilidade a longo prazo em condições reais. A exposição à umidade, ao oxigênio e à luz UV pode degradar os materiais das células, afetando sua vida útil.
2. EscalabilidadeA transição da produção em escala laboratorial para a fabricação em larga escala é uma tarefa complexa. Manter a alta eficiência das células solares de perovskita e, ao mesmo tempo, aumentar a produção em escala é um obstáculo fundamental.
3. Preocupações com toxicidade: O uso de chumbo em células solares de perovskita levanta preocupações ambientais e de saúde. Pesquisadores estão trabalhando para desenvolver alternativas sem chumbo, mas estas ainda não alcançaram o desempenho das células de perovskita tradicionais.
4. Custo das células solares de perovskita:Embora as células solares de perovskita sejam mais baratas de produzir do que as células de silício, o preço geral das células solares de perovskita deve diminuir ainda mais para uma adoção generalizada no mercado.

Estrutura das células solares de perovskita

O estrutura de células solares de perovskita é relativamente simples em comparação com as células de silício tradicionais. Normalmente, inclui uma camada absorvedora de perovskita intercalada entre duas camadas de transporte:

1. Camada de Transporte de Elétrons (ETL):Esta camada ajuda a transferir elétrons gerados na camada de perovskita para o circuito externo.
2. Camada de perovskita: A camada de perovskita é o coração da célula, onde ocorre a absorção de luz e a geração de pares elétron-lacuna. Esta camada pode ser personalizada para otimizar o desempenho da célula.
3. Camada de Transporte de Buracos (HTL):Esta camada coleta lacunas (portadores de carga positiva) e as transfere para o circuito.
4. Substrato:A célula inteira geralmente é construída sobre um substrato, que pode ser rígido (vidro) ou flexível (plástico), dependendo da aplicação.

As células solares de perovskita estão disponíveis comercialmente?

Uma pergunta comum é: as células solares de perovskita estão disponíveis comercialmente? Atualmente, apenas um número limitado de fabricantes de células solares de perovskita iniciou a comercialização em pequena escala. Algumas empresas oferecem células solares de perovskita para aplicações de nicho, como eletrônicos portáteis e fins de pesquisa. No entanto, a adoção generalizada para geração de energia em larga escala ainda está em estágios iniciais devido aos desafios mencionados anteriormente. À medida que a tecnologia avança e o preço das células solares de perovskita diminui, espera-se que a disponibilidade comercial se expanda.

Perspectivas futuras

O futuro das células solares de perovskita é promissor, com pesquisas em andamento visando superar as barreiras existentes e aprimorar o desempenho. Esforços contínuos para abordar questões de estabilidade, escalabilidade e meio ambiente serão cruciais para o sucesso da comercialização das células solares de perovskita. Como resultado, os fabricantes de células solares de perovskita estão investindo pesado em pesquisa e desenvolvimento, tornando essa tecnologia uma referência no mercado de energia renovável.

Como funcionam as células solares de perovskita?

Para entender como as células solares de perovskita funcionam, é preciso analisar sua estrutura única e a maneira como convertem a luz solar em eletricidade. O processo pode ser resumido em algumas etapas principais:

1. Absorção de luz:Quando a luz solar atinge a célula solar de perovskita, a camada de perovskita absorve fótons, que então excitam os elétrons no material, criando pares elétron-lacuna (também conhecidos como éxcitons).
2. Separação de Carga: Os éxcitons são separados em elétrons livres e lacunas, que são coletados pelas camadas de transporte de elétrons e lacunas. A camada de transporte de elétrons (ETL) transfere elétrons para o eletrodo, enquanto a camada de transporte de lacunas (HTL) direciona as lacunas para o eletrodo oposto.
3. Cobrança de taxas: Os elétrons e lacunas separados movem-se para seus respectivos eletrodos, criando uma corrente elétrica. Essa corrente pode então ser usada para alimentar dispositivos externos.
4. Conversão de energia:A eletricidade gerada é corrente contínua (CC), que pode ser convertida em corrente alternada (CA) para uso na maioria das aplicações residenciais e comerciais.

Ao otimizar cada camada e melhorar a qualidade do material, os pesquisadores estão continuamente aumentando a eficiência das células solares de perovskita.

Células solares de perovskita invertida usando dopantes à base de dimetilacridina

Avanços recentes levaram ao desenvolvimento de células solares de perovskita invertida utilizando dopantes à base de dimetilacridina. Em células de perovskita convencionais, os elétrons e lacunas viajam em uma direção específica, mas estruturas invertidas invertem essa configuração. Células solares de perovskita invertida são benéficas para alcançar maior estabilidade e são mais fáceis de integrar em configurações tandem.

A adição de dopantes à base de dimetilacridina melhora o desempenho da camada de transporte de lacunas, aumentando a eficiência geral da célula. Essa inovação é um passo em direção à solução de alguns dos problemas de estabilidade de longo prazo das células solares de perovskita.

Células solares flexíveis de perovskita

Células solares flexíveis de perovskita são uma tecnologia inovadora que pode ser usada em aplicações onde os painéis solares rígidos tradicionais não são adequados. Utilizando substratos flexíveis, como plástico ou finas folhas metálicas, essas células podem ser dobradas, enroladas ou até mesmo dobradas sem perda de eficiência. Isso as torna ideais para soluções de energia portáteis, tecnologia vestível e superfícies curvas, como tetos de automóveis.

O principal desafio das células solares flexíveis de perovskita é manter a estabilidade e o desempenho sob estresse mecânico. No entanto, pesquisas em andamento estão focadas em melhorar a durabilidade e a vida útil dessas células flexíveis, tornando-as uma opção promissora para futuras soluções energéticas.

Fabricantes de células solares de perovskita

Atualmente, existem alguns fabricantes importantes de células solares de perovskita liderando a comercialização dessa tecnologia. Alguns dos principais fabricantes de células solares de perovskita incluem:

1. Oxford PV: Uma empresa sediada no Reino Unido especializada em células solares tandem de perovskita. A Oxford PV estabeleceu vários recordes de eficiência e agora está focada em expandir a produção para uso comercial.
2. Saule Technologies: Uma empresa polonesa pioneira em células solares flexíveis de perovskita. A Saule Technologies visa levar células solares de perovskita a uma variedade de aplicações, desde energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) até eletrônicos portáteis.
3. GCL-Poly Energy Holdings: Uma empresa chinesa ativamente envolvida na pesquisa e desenvolvimento de células solares de perovskita. A GCL está investindo em instalações de produção em larga escala e planeja entrar no mercado comercial nos próximos anos.
4. Tecnologias de Perovskita Hunt:Sediada nos Estados Unidos, a Hunt Perovskite Technologies está trabalhando para superar os problemas de estabilidade das células solares de perovskita e pretende levar essa tecnologia ao mercado norte-americano.

Esses fabricantes de células solares de perovskita estão liderando a inovação e impulsionando o setor. À medida que a pesquisa avança e a produção aumenta, espera-se que mais empresas ingressem no mercado.

Conclusão: Potencial futuro para células solares de perovskita

O futuro das células solares de perovskita parece promissor, à medida que pesquisadores continuam a abordar desafios como estabilidade e escalabilidade. Com suas propriedades únicas e potencial para combinar com células de silício existentes, todas as células solares tandem de perovskita podem, em breve, inaugurar uma nova era na energia solar. À medida que o custo das células solares de perovskita diminui e a tecnologia amadurece, espera-se que essas células desempenhem um papel fundamental no mercado global de energia renovável, proporcionando uma solução mais acessível e eficiente para a geração de energia solar.

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