2024 As células solares de perovskita estão disponíveis comercialmente？

As células solares de perovskita estão ganhando impulso 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 mais de 30% de eficiência, o mercado está testemunhando um interesse crescente na adoção dessas células. Em 2023, a taxa de penetração das células solares de perovskita na China foi de apenas cerca de 0,2%, indicando uma presença pequena, mas crescente. No entanto, a investigação em curso e as políticas industriais de apoio 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 usa semicondutores de haleto orgânico-inorgânico estruturados em perovskita como materiais absorventes 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 comercialização. De acordo com dados de 2023, a penetração no mercado de células solares de perovskita na China foi de cerca de 0,2%. À medida que a tecnologia continua a evoluir, espera-se que a taxa de adoção de células solares de perovskita na China cresça 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 de “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, todas as células solares tandem de perovskita e células tandem de filme fino/perovskita, como células tandem CIGS/perovskita.

Políticas da Indústria

Nos últimos anos, a China implementou múltiplas 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 cinco outros departamentos, emitiu as “Opiniões Orientadoras sobre a Promoção do Desenvolvimento da Indústria 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 focar no desenvolvimento de materiais de células fotovoltaicas de silício cristalino e materiais compostos de película fina. Isso inclui silício de cristal único de grande porte, silício policristalino e tecnologias de película fina, bem como novos materiais de células solares de perovskita de alta eficiência e células de película fina CIGS. O objetivo é construir uma cadeia industrial abrangente que cubra silano, silício granular, wafers de silício monocristalino, células de bateria e estações 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 corante, alcançando uma eficiência de conversão de energia de 3,8%. Em outubro de 2021, pesquisadores do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia alcançaram uma eficiência de 25,8% 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 alcançou 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 eficiência de 29,5% para células tandem de perovskita/silício. O Centro Helmholtz alemão aumentou 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 alcançou uma eficiência de 33,9%, o maior recorde para células tandem de perovskita-silício em todo o mundo. .

Barreiras da Indústria

1. Barreiras Técnicas
O desenvolvimento de células solares de perovskita requer conhecimentos técnicos significativos e pesquisas de longo prazo. Os novos participantes na indústria de células solares de perovskita enfrentam o desafio de romper tecnologias críticas e alcançar aplicações maduras, o que pode exigir tempo e esforço consideráveis. A pesquisa e produção de materiais, células, módulos, baterias e sistemas de gerenciamento de baterias exigem altas capacidades técnicas. Sem dominar estas tecnologias essenciais, as empresas terão dificuldade em produzir produtos competitivos.

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

3. Barreiras de escala
A indústria de células solares de perovskita também apresenta barreiras de escala substanciais. A produção em grande escala beneficia de economias de escala, proporcionando às empresas financeiramente fortes uma vantagem significativa na aquisição de matérias-primas e nas operações de produção. Além disso, é necessário investimento contínuo para permanecer à frente no desenvolvimento tecnológico. Só as grandes empresas podem manter a sua vantagem competitiva através da inovação e da investigação contínuas.

Cadeia da Indústria

1. Análise da cadeia da indústria de células solares de perovskita

A cadeia da indústria de células solares de perovskita consiste em segmentos upstream, midstream e downstream. O segmento upstream inclui matérias-primas e equipamentos, como compostos de perovskita, materiais alvo, vidro TCO e materiais absorventes de luz. Os principais equipamentos incluem máquinas de revestimento, máquinas a laser, equipamentos de deposição e máquinas de encapsulamento. O 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 sensores de gás e materiais de resfriamento magnético.

2. Análise de empresas líderes

2.1 CATL (Tecnologia Contemporânea Amperex Co., Ltd.)

Fundada em 2011, a CATL é um dos principais fabricantes de baterias de energia na China, com foco em novos sistemas de energia para veículos, sistemas de armazenamento de energia e outras aplicações. Suas principais tecnologias cobrem toda a cadeia de valor, desde materiais e células de bateria até integração de sistemas e reciclagem de baterias. A CATL fez parceria com vários fabricantes de automóveis nacionais líderes e estabeleceu uma forte presença nos mercados globais.

No campo das células solares de perovskita, a CATL vê as células solares tandem de perovskita como uma tecnologia chave do futuro e está acelerando ativamente os esforços de pesquisa e industrialização. Estão também a avançar na produção à escala piloto para promover as suas ambições no sector fotovoltaico.

2.2 Longi Green Energy Technology Co., Ltd.

Fundada em 2000, a Longi Green Energy está empenhada em se tornar a empresa de tecnologia solar mais valiosa do mundo. A empresa se concentra na 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 tornou-se líder global em tecnologia de alta eficiência à base de silício.

Em novembro de 2022, Longi estabeleceu um recorde mundial de eficiência de células solares baseadas em silício com 26,81%. Em novembro de 2023, o autodesenvolvimento da Longicélula solar tandem de perovskitaatingiu uma eficiência de 33,9%, estabelecendo um novo recorde global. Em 2023, a receita de módulos e células da Longi aumentou 16,91% ano a ano, atingindo 99,199 bilhões de RMB, principalmente devido ao aumento nas vendas de módulos solares.

Status atual da indústria

Atualmente, os fabricantes emergentes de células solares de perovskita na China estão entrando rapidamente no mercado, impulsionando a industrialização de células solares de perovskita. A tecnologia ainda está em seus estágios iniciais de comercialização, com iterações contínuas na estrutura celular, sistemas de materiais, processos de fabricação e equipamentos de produção. Os fabricantes de células solares de perovskita estão validando ativamente vários caminhos técnicos e acelerando o processo de produção em massa. Em 2023, a taxa de penetração das 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 para as células solares de perovskita, vários desafios permanecem para a sua adoção generalizada. Um dos principais obstáculos é a dificuldade em alcançar estabilidade e confiabilidade a longo prazo, já que se sabe 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 deve ser reduzido para se tornarem competitivos com outras tecnologias. As empresas também devem enfrentar os desafios de aumentar a produção e superar obstáculos regulamentares para garantir que as células solares de perovskita sejam eficientes e acessíveis.

Vantagens das células solares de perovskita

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

1. Alta eficiência: A eficiência das células solares de perovskita aumentou rapidamente nos últimos anos, atingindo mais de 25% para células de junção única e ainda mais alta para células solares tandem de perovskita. Esta rápida melhoria é uma das principais razões pelas quais a tecnologia é considerada altamente atrativa.
2. Baixo Custo: Um dos principais benefícios das células solares de perovskita é o menor custo de produção. O processo de fabricação das células solares de perovskita é menos complexo e consome muita energia do que o das células de silício tradicionais, levando a preços potencialmente mais baixos.
3. Leve e flexível: Células solares flexíveis de perovskita podem ser produzidas em vários substratos, incluindo filmes plásticos, tornando-as ideais para aplicações onde leveza e flexibilidade são cruciais. Este recurso abre novas possibilidades para soluções de energia portáteis e vestíveis.
4. Bandgap personalizável: O bandgap das células solares de perovskita pode ser ajustado ajustando a composição química, permitindo-lhes capturar um espectro mais amplo de luz solar. Esta 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 perovskitavão além das instalações solares convencionais em telhados. A sua versatilidade permite a integração numa ampla gama de configurações:

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 flexíveis de perovskita as torna ideais para eletrônicos de pequena escala, como carregadores portáteis, wearables e sensores.
3. Indústria automobilística: As células solares de perovskita podem ser integradas em veículos para fornecer energia adicional para a eletrônica de bordo ou até mesmo carregar parcialmente 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 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, oxigênio e luz UV pode degradar os materiais celulares, afetando sua vida útil.
2. Escalabilidade: A transição da produção em escala de laboratório para a fabricação em grande escala é uma tarefa complexa. Manter a alta eficiência das células solares de perovskita e, ao mesmo tempo, aumentar a produção é um obstáculo importante.
3. Preocupações com toxicidade: O uso de chumbo em células solares de perovskita levanta preocupações ambientais e de saúde. Os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver alternativas sem chumbo, mas estas ainda não alcançaram o desempenho das células tradicionais de perovskita.
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 ampla adoção no mercado.

Estrutura das células solares de perovskita

O estrutura das células solares de perovskitaé relativamente simples em comparação com células de silício tradicionais. Normalmente inclui uma camada absorvente de perovskita imprensada 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 ocorrem a absorção de luz e a geração de pares elétron-buraco. Esta camada pode ser customizada para otimizar o desempenho da célula.
3. Camada de transporte de furo (HTL): Esta camada coleta buracos (portadores de carga positiva) e os 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 estão oferecendo células solares de perovskita para aplicações de nicho, como eletrônica portátil e fins de pesquisa. No entanto, a adopção generalizada para a geração de energia em grande escala ainda está numa fase inicial 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 destinadas a superar as barreiras existentes e melhorar o desempenho. Esforços contínuos para abordar questões de estabilidade, escalabilidade e ambientais serão cruciais para o sucesso da comercialização de células solares de perovskita. Como resultado, os fabricantes de células solares de perovskita estão investindo pesadamente em pesquisa e desenvolvimento, tornando esta tecnologia uma tecnologia a ser observada no mercado de energia renovável.

Como funcionam as células solares de perovskita?

Compreender como funcionam as células solares de perovskita requer uma análise de sua estrutura única e da 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-buraco (também conhecidos como excitons).
2. Separação de Cargas: Os excitons são separados em elétrons livres e buracos, que são coletados pelas camadas de transporte de elétrons e buracos. A camada de transporte de elétrons (ETL) transfere elétrons para o eletrodo, enquanto a camada de transporte de furos (HTL) direciona os furos para o eletrodo oposto.
3. Cobrança de cobrança: Os elétrons e buracos separados movem-se para seus respectivos eletrodos, criando uma corrente elétrica. Esta corrente pode então ser usada para alimentar dispositivos externos.
4. Conversão de Energia: A eletricidade gerada é de 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 usando dopantes à base de dimetilacridina. Nas células convencionais de perovskita, os elétrons e os buracos viajam em uma direção específica, mas as estruturas invertidas invertem essa configuração. As células solares de perovskita invertida são benéficas para alcançar melhor 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 buracos, aumentando a eficiência geral da célula. Esta inovação é um passo para resolver alguns dos problemas de estabilidade a longo prazo das células solares de perovskita.

Células solares flexíveis de perovskita

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

O principal desafio das células solares flexíveis de perovskita é manter a estabilidade e o desempenho sob estresse mecânico. No entanto, a investigação em curso está focada em melhorar a durabilidade e a vida útil destas 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 desta tecnologia. Alguns dos principais fabricantes de células solares de perovskita incluem:

1. Oxford P.V.: Uma empresa com sede no Reino Unido especializada em células solares tandem de perovskita. Oxford PV estabeleceu vários recordes de eficiência e agora está focada em aumentar a produção para uso comercial.
2. Saule Tecnologia: Uma empresa polonesa pioneira em células solares flexíveis de perovskita. A Saule Technologies pretende levar células solares de perovskita para uma variedade de aplicações, desde energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) até eletrônica portátil.
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 caça perovskita: Com sede nos Estados Unidos, a Hunt Perovskite Technologies está trabalhando para superar os problemas de estabilidade das células solares de perovskita e pretende trazer esta tecnologia para o mercado norte-americano.

Esses fabricantes de células solares de perovskita estão liderando a inovação e impulsionando a indústria. 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 os pesquisadores continuam a enfrentar desafios como estabilidade e escalabilidade. Com suas propriedades únicas e potencial de combinação com células de silício existentes, todas as células solares tandem de perovskita poderão em breve levar a uma nova era na energia solar. À medida que o custo das células solares de perovskita diminui e a tecnologia amadurece, espera-se que estas células desempenhem um papel fundamental no mercado global de energia renovável, fornecendo uma solução mais acessível e eficiente para a geração de energia solar.