Status do Desenvolvimento e Sugestões da Tecnologia Fotovoltaica Perovskita

Como uma tecnologia fotovoltaica emergente de terceira geração, as células solares de perovskita aumentaram sua eficiência de conversão fotoelétrica de 3,8% para 25,7% em pouco mais de dez anos desde seu lançamento em 2009. À medida que a eficiência das células solares de silício cristalino se aproxima gradualmente do limite teórico, altas Células de perovskita de baixo custo e eficiência têm atraído cada vez mais a atenção da indústria fotovoltaica global. Enquanto a pesquisa acadêmica continua a ser realizada em profundidade, a tecnologia de industrialização da perovskita fotovoltaica também fez avanços contínuos. Como o maior país fotovoltaico do mundo, meu país há muito mantém uma posição de liderança no campo fotovoltaico de silício cristalino; e no campo emergente da perovskita fotovoltaica, está na mesma linha de partida de outros países.

1. Status de desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica de perovskita

As células solares de perovskita usam haletos estruturados de perovskita como materiais de camada de absorção de luz, que têm as características de intervalo de banda ajustável, alto coeficiente de absorção de luz, baixo coeficiente de temperatura, espessura e flexibilidade, e são atualmente o novo tipo mais promissor de aplicação em larga escala . Bateria solar. Após mais de dez anos de pesquisa, os princípios básicos, formulações de materiais e caminhos de otimização de desempenho da perovskita fotovoltaica gradualmente tomaram forma. Ao mesmo tempo, o processo de produção em massa de células e módulos fotovoltaicos de silício cristalino e a localização completa do equipamento da linha de produção fornecem uma referência importante para a industrialização da tecnologia fotovoltaica de perovskita. Nos últimos anos, equipes de P&D de universidades e institutos de pesquisa científica e celulares, fabricantes de módulos e equipamentos na área de fotovoltaica de silício cristalino investiram na pesquisa e desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica de perovskita. Progressos significativos foram feitos em módulos fotovoltaicos e equipamentos de produção de módulos de perovskita.

(1) Status da pesquisa das células solares de perovskita

A alta eficiência é a vantagem mais atraente das células solares de perovskita. A eficiência limite teórica das células de perovskita é de 33%, muito superior a 29,4% das células de silício cristalino. Ao otimizar os componentes, a microestrutura e o processo de preparação da bateria, a eficiência das baterias de perovskita preparadas em laboratório atingiu repetidamente novos recordes. Em julho de 2022, a bateria de perovskita desenvolvida pelo Instituto de Semicondutores da Academia Chinesa de Ciências obteve uma eficiência certificada de 25,6%, perdendo apenas para o maior recorde mundial de eficiência de 25,7% criado pelo Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST ) na Coreia do Sul em 2021.

A faixa de resposta espectral das baterias de perovskita é de 300 a 800 nanômetros, ou seja, a faixa de luz visível, enquanto as baterias de silício cristalino, baterias de cobre, índio e gálio (CIGS), etc. podem absorver e utilizar a luz infravermelha. Portanto, a combinação de células de perovskita com silício cristalino, CIGS e outras células para formar uma célula laminada pode aproveitar ao máximo a luz em cada banda e obter maior eficiência de conversão fotoelétrica. A própria célula de perovskita também pode alterar a faixa de absorção da luz ajustando o gap. Combinando células de perovskita de banda larga e estreita em células empilhadas, a eficiência de conversão fotoelétrica pode ser significativamente melhorada. Em junho de 2022, a Universidade de Nanjing desenvolveu uma pilha de perovskita/perovskita com eficiência de 28,0%, estabelecendo um novo recorde mundial.

Baterias de perovskita flexíveis e baterias de perovskita internas adequadas para aplicações como edifícios, dispositivos portáteis e bens de consumo também são pontos críticos de pesquisa atuais. A maior eficiência da bateria de perovskita flexível desenvolvida pela Universidade de Tsinghua é de 23,6%, estabelecendo um novo recorde mundial; atualmente, a maior eficiência mundial de bateria interna de perovskita é mantida pela Shaanxi Normal University. Sob a luz interna de 824,5 lux, a eficiência da bateria chega a 40,1%.

a pesquisa do meu país sobre células solares de perovskita está se desenvolvendo no mesmo ritmo que o mundo, e várias equipes de pesquisa estão no nível de primeira classe do mundo. Os resultados frutíferos da pesquisa de laboratório forneceram orientação teórica suficiente para a industrialização da perovskita fotovoltaica em meu país. A academia e a indústria têm realizado uma cooperação profunda para promover continuamente a transformação de resultados de pesquisas de laboratório em tecnologia de produção de vetores.

(2) Status de desenvolvimento da tecnologia de módulo fotovoltaico de perovskita

Os módulos fotovoltaicos de perovskita são módulos de película fina, que são feitos depositando sequencialmente várias camadas de películas finas de células de perovskita no vidro e encapsulando-as. A camada de transporte de furos, camada de transporte de elétrons, contra eletrodo e outros filmes finos na bateria são geralmente preparados pelo método de deposição a vácuo, enquanto o processo de preparação da camada de absorção de perovskita é dividido em método úmido e método seco. O processo úmido típico, como o método de revestimento por fenda, possui uma estrutura de equipamento relativamente simples e é fácil ampliar a área de revestimento do filme da bateria do nível milimétrico preparado em laboratório para dezenas de centímetros, por isso é usado atualmente pela maioria das linhas de produção de teste. No entanto, considerando que o aumento da área do módulo apresentará requisitos mais altos de qualidade do filme,

Devido à dificuldade no controle de qualidade de filmes finos de grande área, quanto maior a área do componente perovskita, maior a queda na eficiência. Atualmente, a eficiência de pequenos módulos de dezenas de centímetros quadrados pode chegar a mais de 20%, a eficiência de módulos de centenas de centímetros quadrados pode chegar a 18%, enquanto a eficiência de módulos maiores que 0,1 metros quadrados é de apenas cerca de 16%. Pode-se ver que a eficiência de componentes de perovskita em larga escala adequados para aplicações em larga escala ainda precisa ser melhorada.

As linhas de produção de componentes de perovskita que foram preliminarmente concluídas e em construção são todas linhas de teste de 100 megawatts ou menos, e o filme da camada absorvente de perovskita é revestido pelo método úmido. Com base nas condições da linha de produção semelhantes à produção em massa, espera-se que a fórmula do material, o processo de produção e o design de especificação do produto dos componentes sejam otimizados rapidamente.

A principal diferença entre os componentes empilhados de perovskita/silício cristalino e os componentes convencionais de perovskita é que o filme da célula de perovskita não é depositado diretamente em todo o vidro, mas na célula de silício cristalino. Por um lado, a área de filme menor reduz os requisitos de tamanho para equipamentos de deposição de filme, e o acoplamento com a linha de produção de células de silício cristalino também ajuda a reduzir os custos de produção; por outro lado, as células de perovskita precisam ser ligadas com células de silício cristalino correspondentes, o design da bateria é mais difícil. Atualmente, a maior eficiência de módulos laminados de perovskita/silício cristalino de 20 centímetros quadrados preparados em laboratório é de 26,63%, mas nenhuma linha piloto de módulos laminados de perovskita foi concluída e colocada em produção.

Além disso, com base nas características leves, finas e translúcidas das baterias de perovskita, algumas instituições de pesquisa e fabricantes estão desenvolvendo componentes flexíveis e coloridos. Espera-se que esses componentes especiais sejam aplicados em dispositivos vestíveis, construção e outros cenários.

2. Desafios enfrentados pela industrialização da energia fotovoltaica de perovskita

(1) A estabilidade das baterias de perovskita em serviço de longo prazo

A questão da estabilidade das células solares de perovskita é o principal desafio para aplicações práticas. Sob a estimulação de condições externas, como vapor de água, alta temperatura e radiação ultravioleta, as baterias de perovskita são propensas à degradação e seu desempenho é seriamente atenuado. Existem duas medidas principais para melhorar a estabilidade das baterias de perovskita. Uma é otimizar os componentes e a microestrutura da própria bateria, e a outra é otimizar os materiais de embalagem e os processos de embalagem dos módulos fotovoltaicos de perovskita.

Alguns fabricantes anunciaram que os produtos de módulo produzidos em teste passaram no teste de estabilidade do módulo realizado de acordo com os padrões internacionais reconhecidos pela indústria fotovoltaica, como IEC 61215, e com base nisso, especula-se que a vida útil dos módulos de perovskita é equivalente ao dos módulos de silício cristalino, que podem garantir a vida útil de 25 anos. Após um ano, a eficiência de geração de energia permanece acima de 80% do valor inicial. No entanto, considerando que os componentes de perovskita ainda não foram produzidos e aplicados em massa, sua estabilidade em ambientes de serviço reais, como alta temperatura, alta umidade e alta névoa salina, ainda precisa ser testada.

(2) Questões de eficiência e qualidade de componentes de perovskita de grande área

A eficiência e a qualidade dos componentes de perovskita de grande área são baixas, principalmente devido ao equipamento limitado e ao nível do processo de deposição de filmes finos de grande área. Diferente do modo de conectar várias células de pequena área em série e paralelo no módulo de silício cristalino, a área de revestimento do módulo de perovskita atinge o nível do metro quadrado. Atualmente, existe uma lacuna entre o desempenho de revestimento uniforme e contínuo de grandes áreas dos equipamentos domésticos de revestimento a vácuo e o nível avançado internacional. Além disso, a depuração do processo na linha de produção de revestimento de grande área também é relativamente difícil.

(3) Problemas de placa curta de componentes-chave do equipamento da linha de produção fotovoltaica

Após anos de rápido desenvolvimento, a indústria fotovoltaica do meu país basicamente realizou a localização de toda a linha de produção de equipamentos, mas alguns componentes-chave do equipamento ainda dependem de importações. Por exemplo, bombas de vácuo, fontes de alimentação de radiofrequência, válvulas, etc. em equipamentos de revestimento a vácuo, lasers, espelhos vibratórios, etc. em equipamentos de gravação a laser, têm uma grande lacuna com os principais fabricantes internacionais em termos de indicadores técnicos e confiabilidade de qualidade. Embora os fabricantes de equipamentos de linha de produção fotovoltaica do meu país tenham estado envolvidos no desenvolvimento de equipamentos de produção de módulos de perovskita anteriormente e tenham alcançado resultados preliminares, de modo que o pequeno teste de módulo de perovskita, teste piloto e linhas de produção em massa do meu país sempre mantiveram um alto grau de localização,

3. Propostas para promover a industrialização da perovskita fotovoltaica

(1) Desempenhar efetivamente o papel orientador do governo

A tecnologia fotovoltaica da perovskita, como uma nova geração de tecnologia fotovoltaica com as perspectivas de aplicação em larga escala mais promissoras, ganhou a atenção da energia nacional e autoridades de tecnologia, academia, indústria e várias entidades de investimento. No entanto, existem conceitos exagerados e seguindo cegamente a tendência do mercado atual, o que pode ter um impacto negativo no sólido avanço da industrialização da tecnologia fotovoltaica de perovskita.

Para promover a industrialização eficiente e ordenada da tecnologia fotovoltaica de perovskita, o papel regulador e orientador das autoridades nacionais de energia e ciência e tecnologia deve ser plenamente utilizado para formular indicadores técnicos e introduzir políticas de incentivo; estabelecer um mecanismo de coordenação "governo-indústria-universidade-pesquisa-aplicação" para incentivar várias várias rotas técnicas, várias entidades de P&D e mercado participam amplamente no processo de industrialização da tecnologia fotovoltaica de perovskita; aderir ao conceito de abertura e cooperação, orientar o fluxo bidirecional doméstico e internacional de tecnologia, talentos, capital, etc., e insistir em "convidar" e "sair". Preste a mesma atenção para criar ativamente uma ecologia de indústria internacional abrangente e profundamente integrada; incentivar o capital estatal a apoiar a industrialização da tecnologia fotovoltaica de perovskita em várias formas e orientar o desenvolvimento saudável da indústria por meio do mercado.

Os governos locais em todos os níveis devem implementar com seriedade os requisitos de política nacional, como o "14º Plano Quinquenal de Inovação Científica e Tecnológica no Campo de Energia" e o "Plano de Implementação de Neutralidade de Carbono de Pico de Carbono de Apoio à Ciência e Tecnologia (2022-2030)" para formular e promover a industrialização da perovskita fotovoltaica Planos específicos e políticas de incentivo, seguir os princípios da ciência, pragmatismo e rigor, e promover o desenvolvimento saudável dos elos da cadeia da indústria fotovoltaica da perovskita adequados para esta região.

(2) Cooperação multidisciplinar para formar uma força conjunta

A pesquisa de laboratório e o desenvolvimento da tecnologia fotovoltaica de perovskita são liderados principalmente por estudiosos nas áreas de ciência de materiais, química e física. Quando entra na fase de industrialização, envolve campos mais técnicos e mais elos da cadeia industrial. A colaboração em vários campos profissionais é necessária. Em particular, é necessário introduzir ativamente tecnologias avançadas em vários campos profissionais para melhorar a eficiência e o efeito da industrialização fotovoltaica da perovskita. Por exemplo, usando aprendizado de máquina, big data e outras tecnologias para substituir todos os métodos manuais até certo ponto, realizar experimentos de alto rendimento, rastrear com eficiência e precisão os materiais, formulações e condições do processo de fabricação de módulos fotovoltaicos de perovskita, e melhorar significativamente os materiais da linha de produção e capacidade de produção. A velocidade de otimização do processo; aproveitando a tecnologia avançada nas áreas de revestimento de painel de exibição de grande área, processamento de semicondutores, processamento de elementos ópticos e outros campos e equipamentos de produção, para ajudar a melhorar a qualidade do revestimento do módulo fotovoltaico de perovskita.

(3) Acelerar a demonstração e aplicação de demonstração de produtos fotovoltaicos de perovskita

Riscos potenciais, como instabilidade e vazamento de metal tóxico de módulos fotovoltaicos de perovskita, impedirão sua aplicação em larga escala. Assim, é necessário conhecer o seu real desempenho e segurança de serviço através de um grande número de testes empíricos e aplicações de demonstração o mais rapidamente possível, de modo a avaliar com precisão o seu risco de aplicação e fornecer suporte científico para a sua promoção e aplicação.

O bom desenvolvimento de aplicações de demonstração e demonstração de produtos fotovoltaicos de perovskita requer a cooperação de unidades de usuários e empresas de rede elétrica com fabricantes de produtos fotovoltaicos de perovskita, fabricantes de equipamentos de sistemas fotovoltaicos, unidades de teste e certificação, unidades de projeto e construção, etc., para abrir todos aspectos da implementação do projeto, para criar um ambiente de aplicação aberto e inclusivo.

(4) Construir um sistema padrão para tecnologia fotovoltaica de perovskita em tempo hábil e se esforçar ativamente para dominar o direito de falar em padrões internacionais

A fim de garantir que a tecnologia de produção e aplicação de produtos fotovoltaicos de perovskita seja padronizada, sistemática, escalável e compatível com o sistema de tecnologia de aplicação fotovoltaica existente, um sistema padrão deve ser estabelecido simultaneamente no processo de industrialização fotovoltaica de perovskita. A construção do sistema padrão fotovoltaico de perovskita deve ser baseada no sistema padrão de tecnologia fotovoltaica atual, atender aos requisitos de aplicação, refletir totalmente as características da produção e aplicação de produtos fotovoltaicos de perovskita e levar em consideração o desenvolvimento contínuo e a mudança de fotovoltaicos de perovskita tecnologia. De acordo com a situação real, tanto a padronização quanto a flexibilidade devem ser levadas em consideração.

O estabelecimento do atual sistema padrão internacional fotovoltaico teve origem na década de 1980. a indústria fotovoltaica de silício cristalino do meu país, como uma estrela em ascensão, desenvolveu-se sob a estrutura do sistema padrão internacional existente e fez poucas contribuições originais na formulação de padrões internacionais. A participação em organizações internacionais de padronização é relativamente baixa e o direito à palavra é fraco. No campo da fotovoltaica de perovskita, o nível de pesquisa do meu país é comparável ao do mundo, e o progresso e a escala da industrialização têm uma pequena vantagem. Portanto, devemos aproveitar a oportunidade para apoiar ativamente o campo fotovoltaico de perovskita do meu país, especialmente especialistas técnicos na linha de frente da industrialização.