Perovskitsolceller: Fördelar, Utmaningar och Framtidsutsikter

Innehållsförteckning

1. Introduktion
2. Vad är Perovskitsolceller?
3. Fördelar med Perovskitsolceller
4. Tekniska Utmaningar i Praktiska Tillämpningar av Perovskitsolceller
5. Senaste Forskningsutvecklingar inom Perovskitsolceller
6. Potentiella Tillämpningar av Perovskitsolceller
7. Slutsats

Introduktion

Med den växande globala efterfrågan på förnybar energi har perovskitsolceller fått stort uppmärksamhet som en framväxande fotovoltaisk teknologi. Dessa tredje generationens solceller, baserade på perovskit-strukturerade material, visar enorm potential tack vare deras höga effektivitet, låga kostnader och mångsidiga tillämpningsscenarier. Denna artikel syftar till att ge en omfattande översikt över perovskitsolceller, täckande deras grundläggande koncept, fördelar, tekniska utmaningar, senaste forskningsutvecklingar och potentiella tillämpningar, och erbjuder läsarna en grundlig förståelse för denna lovande teknologi.

Vad är Perovskitsolceller?

Perovskitsolceller är en typ av tredje generationens solcell som använder perovskit-strukturerade material. Perovskiter är en klass av material som kännetecknas av en specifik kristallstruktur, vanligtvis representerad av den kemiska formeln ABX₃. I denna formel är 'A' och 'B' två olika metallkatjoner, och 'X' är en anjon, som tillsammans bildar ett unikt kristallgaller. I sammanhanget av perovskitsolceller består 'A' och 'B' vanligtvis av organiska molekyler och metallhalider. Denna kombination resulterar i material med exceptionella ljusabsorberande och elektroniska egenskaper, vilket gör perovskitsolceller till ett lovande alternativ till traditionella fotovoltaiska teknologier.

Fördelar med Perovskitsolceller Jämfört med Kiselbaserade Celler

Perovskitsolceller erbjuder flera fördelar jämfört med traditionella kiselbaserade celler, inklusive PERC, TOPCon, IBC och HJT-celler:

1. Hög Effektivitet: Perovskitsolceller uppvisar höga effektivitetsnivåer. Den teoretiska maximala omvandlingseffektiviteten för enkel-junction perovskitceller kan nå upp till 31%, medan fler-junction perovskitceller kan uppnå teoretiska effektivitet så höga som 45%, vilket överträffar den 29,4% effektivitetsgräns för kiselbaserade celler.
2. Låga Kostnader: Perovskitmaterial är mindre känsliga för föroreningar, vilket gör det möjligt att producera celler med över 20% effektivitet med perovskitmaterial av cirka 90% renhet. I kontrast kräver kisel en renhetsnivå på 99,9999% för effektiv användning. Dessutom kräver produktionen av perovskitsolceller en relativt lägre investering i den industriella försörjningskedjan, då endast en fabrik behövs jämfört med de fyra fabriker som krävs för kiselbaserade celler (kiselmaterial, kiselplatta, cell och modul).
3. Brett Användningsområde: Perovskitsolceller kan tillverkas i flexibla och lätta former, vilket gör dem lämpliga för olika tillämpningar, inklusive byggnadsintegrerade fotovoltaiska system (BIPV), flexibla skärmar, bärbar klädsel, tält, bärbara strömkällor och andra bärbara enheter.
4. Utmärkt Prestanda i Lågt Ljusstyrka: Perovskitmaterial kan fungera effektivt i lågt ljusmiljöer, såsom molnigt väder eller under gryning och skymning. Detta gör att perovskitsolceller kan upprätthålla god prestanda även under suboptimala ljusförhållanden, vilket ökar deras totala energiproduktionspotential.

Tekniska Utmaningar i Praktiska Tillämpningar av Perovskitsolceller

Trots sina lovande egenskaper står perovskitsolceller fortfarande inför flera tekniska utmaningar i praktiska tillämpningar:

1. Långsiktig Stabilitet: Stabiliteten hos perovskitmaterial under miljöfaktorer såsom fukt, temperatur och ljusexponering är en betydande utmaning. Perovskitsolceller kan brytas ned när de utsätts för dessa förhållanden under längre perioder. Även om laboratorietester har visat livslängder på cirka ett år, är detta fortfarande kort jämfört med kiselbaserade solceller. Standardisering av stabilitetstester är ett aktuellt forskningsfokus.
2. Balans mellan Effektivitet och Stabilitet: Att öka omvandlingseffektiviteten hos perovskitsolceller innebär ofta en kompromiss med deras långsiktiga stabilitet. Högeffektiva perovskitceller presterar ibland dåligt i långsiktiga stabilitetstester. Att hitta den optimala balansen mellan effektivitet och stabilitet är ett viktigt forskningsmål.
3. Effektivitetsförlust i Stora Tillämpningar: Enhetligheten och tätheten hos perovskitlager i stora tillämpningar är nära kopplade till effektivitetstapp. Småarea perovskitceller som produceras i laboratorier kan uppnå hög effektivitet, men denna effektivitet kan minska när den skalas upp till större, praktiska tillämpningar.
4. Oklara Materialsystem: Tillverkningen av perovskitceller involverar olika materialval, och materialsystemet är ännu inte fullt standardiserat. Detta ökar osäkerheten och kostnaderna i produktionsprocessen. Olika forskarteam kan använda olika perovskitmaterialkombinationer, vilket leder till variationer i prestanda och stabilitetsresultat.
5. Osäkerhet i Kristalliseringsprocesser: Tillverkningsprocessen för perovskitceller involverar komplexa kristalliseringsprocesser, och osäkerheter i dessa processer kan påverka cellens prestanda och stabilitet. Olika kristalliseringsmetoder och förhållanden kan resultera i betydande variationer i kvalitet och prestanda hos perovskit-tunnfilmer.
6. Inkapsling och Skydd: Effektiva inkapslingstekniker behövs för att skydda perovskitceller från miljöfaktorer. Detta inkluderar att välja lämpliga inkapslingsmaterial och processer för att skydda cellerna från fukt och syre.

Senaste Forskningens Utveckling inom Perovskitsolceller

Under 2024 har betydande framsteg gjorts inom forskningen om perovskitsolceller. Här är några av de viktigaste utvecklingarna:

1. HUST Wuhan National Laboratory for Optoelectronics: Teamet ledd av Wei Chen och Zonghao Liu publicerade en studie i Nature som visade användningen av ett självmonterande monolager hybrid håltransportmaterial (HTM) för att förbättra effektiviteten hos inverterade perovskitsolceller. Detta material erbjuder ultra-vätbarhet, nanoskalig enhetlig fördelning, snabb bärarextraktion och låg icke-strålningsrecombination. Dessa egenskaper möjliggör effektiv bärare transport och defektpassivering vid det begravda gränssnittet, vilket avsevärt förbättrar enhetens prestanda. De inverterade perovskitsolcellerna uppnådde en kvasi-stabil effektivitet på 26,54%, certifierad av en auktoritativ tredje part, vilket överträffade det tidigare rekordet för certifierad effektivitet.
2. Tsinghua University: Teamet ledd av Yichen Yi utvecklade ett nytt håltransportmaterial (HTM-T2) i kombination med vakuumdeponerade perovskittunnfilmer, och uppnådde ett världsrekord på 26,41% effektivitet för perovskitsolceller. HTM-T2 kan syntetiseras från kostnadseffektiva kommersiella råmaterial genom några få steg, vilket gör det mycket lämpligt för massproduktion. Teamet uppnådde också en certifierad effektivitet på 26,21% för PSCs med en yta på 0,1 cm² och 24,88% för PSCs med en öppningsyta på 1,0 cm².
3. Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences: Teamet ledd av Yongfang Li och Lei Meng föreslog en lokaliserad oxidationsteknik (LOE) för att effektivt kontrollera och upprätthålla den lämpliga oxidationstillståndet hos SnO2 i elektrontransportlagret. Genom att tillsätta ammoniumdichromat som oxideringsmedel kompenserade de för överflödiga syre-vakanser och bildade ett ultra-tunt Cr2O3 p-typ halvledarlager som reduktionsprodukt. Cr2O3/SnO2 nanometer p-n övergång förbättrar laddningsutvinning och minskar icke-strålningsrecombination vid det begravda gränssnittet. De α-FAPbI3-baserade perovskitsolcellerna med detta ETL uppnådde en PCE på 25,72% (certifierad effektivitet på 25,41%) och visade T90>700h driftsstabilitet under kontinuerlig 1 solbelysning.
4. Shanghai Jiao Tong University: I mars 2024 publicerade ett forskarteam en studie i Science som visade att deras inverterade perovskitsolceller behöll 98,5% av sin ursprungliga effektivitet efter 1000 timmar av lagring vid 85% relativ luftfuktighet och 85°C. Dessutom behöll dessa celler 98,2% av sin ursprungliga effektivitet efter att ha varit i drift vid maximal effektpunkt i 1200 timmar vid 85°C.

Potentiella Tillämpningar för Perovskitsolceller

Perovskitsolceller har en mängd potentiella tillämpningar tack vare deras unika fördelar, såsom hög effektivitet, lätt vikt, flexibilitet och halvgenomskinlighet. Här är några potentiella användningsområden:

1. Byggnadsintegrerade Fotovoltaiska System (BIPV): Perovskitsolceller kan integreras i byggmaterial som fönster, glasfasader eller tak, vilket kombinerar estetik med energiproduktion.
2. Portabla Kraftkällor: Deras lätta och flexibla natur gör att perovskitsolceller kan integreras i portabla elektroniska enheter som smartphones, surfplattor och bärbara enheter, vilket möjliggör trådlös laddning.
3. Fordonsintegration: Perovskitsolceller kan införlivas i ytorna på fordon, drönare och elcyklar, vilket ger ytterligare ström, förlänger räckvidden eller minskar beroendet av externa kraftkällor.
4. Off-Grid Energi: I avlägsna områden eller utvecklingsländer kan perovskitsolceller vara en del av off-grid kraftsystem, som förser med ren elektricitet.
5. Inomhus Fotovoltaiska Tillämpningar: Tack vare deras starka ljusabsorption kan perovskitsolceller generera elektricitet även under inomhusbelysning, vilket är lämpligt för inomhusbelysning och lågströmsapparater som sensorer.
6. Rymdtillämpningar: De lätta och hög-effektiva egenskaperna hos perovskitsolceller gör dem idealiska för rymdtillämpningar, som att förse satelliter och andra rymdfarkoster med ström.
7. Jordbruk: Perovskitsolceller kan användas i jordbrukssystem för övervakning och automatisering, som bevattningskontroller, väderstationer och grödövervakningsenheter.
8. Militär och Försvar: Tack vare deras höga effektivitet och portabilitet kan perovskitsolceller användas i militär utrustning och obemannade spaningsdrönare, som ger tillförlitlig ström.
9. Konsumentelektronik: Perovskitsolceller kan integreras i olika konsumentelektroniska produkter, som e-läsare, portabla högtalare och digitala klockor.
10. Katastrofhjälp och Nödsituationer: Vid naturkatastrofer eller nödsituationer kan perovskitsolceller snabbt sättas in för att ge omedelbar ström till räddningsoperationer.

Dessa mångsidiga tillämpningsscenarier belyser den potentiella mångsidigheten och möjligheterna med perovskitsolceller, vilket positionerar dem som en transformativ teknologi inom energisektorn.

Slutsats

Forskningen och tillämpningarna av perovskitsolceller utvecklas ständigt, och det finns oändliga möjligheter för framtida utveckling. Med pågående teknologiska genombrott och ständiga kostnadsreduktioner är perovskitsolceller på väg att spela en betydande roll på den framtida fotovoltaiska marknaden och bidra till den globala energiövergången och hållbar utveckling. Vi ser fram emot den storskaliga kommersialiseringen av perovskitsolceller inom en snar framtid, vilket kommer att ge renare och mer effektiva energilösningar till mänskligheten.

Sedan 2008 har Maysun Solar varit dedikerade till att producera högkvalitativa fotovoltaiska moduler. Maysun Solar erbjuder ett brett utbud av TOPCon, IBC och HJT solpaneler, samt balkongsolkraftstationer. Dessa solpaneler har utmärkt prestanda och stilren design, och integreras sömlöst med alla byggnader. Maysun Solar har framgångsrikt etablerat kontor och lager i många europeiska länder och har långsiktiga partnerskap med utmärkta installatörer! Tveka inte att kontakta oss för de senaste modulpriserna eller för frågor om fotovoltaik. Vi hjälper gärna till.

Referens:

Nationella forskningsrådet. (2007). Avancerad omvandling av solfoton: Koncept, teknik och tillämpningar. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/11976

Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W. och Dunlop, E. D. (2012). Tabeller för solcellseffektivitet (version 38). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 20(1), 12-15. https://doi.org/10.1002/pip.1074

NREL. (2023). Bästa forskning-celleffektivitet. National Renewable Energy Laboratory (NREL). https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

Stranks, S. D., & Snaith, H. J. (2013). Organisk-oorganiska perovskiter för fotovoltaiska tillämpningar. Advanced Materials, 25(22), 2966-2981. https://doi.org/10.1002/adma.201204079

National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2023). Photovoltaic Research - Perovskite Solar Cells. https://www.nrel.gov/pv/perovskite-solar-cells.html

Oxford PV. (2023). Tekniken - Oxford PV. https://www.oxfordpv.com/technology

Green, M. A., & Hoegel, J. (1989). Tabeller för solcellseffektivitet. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 7(1), 3-8. https://doi.org/10.1002/pip.4670070103

Green, M. A. (2018). Tabeller över solcellseffektivitet (version 53). Journal of Photovoltaics, 8(1), 3-12. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2786899

S. Department of Energy. (2023). Basic Research Needs for Solar Energy Utilization. https://www.energy.gov/eere/articles/basic-research-needs-solar-energy-utilization

Nationella forskningsrådet. (2011). Solenergiteknik för det 21:a århundradet: Rollen för National Renewable Energy Laboratory. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13256

Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W. och Dunlop, E. D. (2012). Tabeller för solcellseffektivitet (version 39). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 21(1), 8-13. https://doi.org/10.1002/pip.2464

Du kanske också är intresserad av: