Celulele Solare pe Bază de Perovskit: Avantaje, Provocări și Perspective de Viitor

Cuprins

1. Introducere
2. Ce Sunt Celulele Solare pe Bază de Perovskit?
3. Avantajele Celulelor Solare pe Bază de Perovskit
4. Provocările Tehnice în Aplicațiile Practice ale Celulelor pe Bază de Perovskit
5. Cele Mai Recente Dezvoltări în Cercetarea Celulelor Solare pe Bază de Perovskit
6. Aplicațiile Potențiale ale Celulelor Solare pe Bază de Perovskit
7. Concluzie

Introducere

Odată cu creșterea cererii globale de energie regenerabilă, celulele solare pe bază de perovskit au câștigat atenție semnificativă ca o tehnologie fotovoltaică emergentă. Aceste celule solare de generație a treia, bazate pe materiale cu structură perovskitică, prezintă un potențial uriaș datorită eficienței ridicate, costului redus și scenariilor de aplicare diverse. Acest articol își propune să ofere o prezentare cuprinzătoare a celulelor solare pe bază de perovskit, acoperind conceptele lor de bază, avantajele, provocările tehnice, cele mai recente dezvoltări în cercetare și aplicațiile potențiale, oferind cititorilor o înțelegere detaliată a acestei tehnologii promițătoare.

Ce Sunt Celulele Solare pe Bază de Perovskit?

Celulele solare pe bază de perovskit sunt un tip de celule solare de generație a treia care utilizează materiale cu structură perovskitică. Perovskitele sunt o clasă de materiale caracterizate printr-o structură cristalină specifică, reprezentată de formula chimică ABX₃. În această formulă, 'A' și 'B' sunt două cationi metalici diferiți, iar 'X' este un anion, formând împreună o rețea cristalină unică. În contextul celulelor solare pe bază de perovskit, 'A' și 'B' sunt de obicei compuse din molecule organice și halogenuri metalice. Această combinație duce la materiale cu proprietăți excepționale de absorbție a luminii și proprietăți electronice, făcând celulele solare pe bază de perovskit o alternativă promițătoare la tehnologiile fotovoltaice tradiționale.

Avantajele Celulelor Solare pe Bază de Perovskit Comparativ cu Celulele pe Bază de Siliciu

Celulele solare pe bază de perovskit oferă mai multe avantaje în comparație cu celulele tradiționale pe bază de siliciu, inclusiv celulele PERC, TOPCon, IBC și HJT:

1. Eficiență Ridicată: Celulele solare pe bază de perovskit prezintă niveluri ridicate de eficiență. Eficiența maximă teoretică a celulelor perovskitice cu joncțiune unică poate ajunge până la 31%, în timp ce celulele perovskitice cu joncțiune multiplă pot atinge eficiențe teoretice de până la 45%, depășind semnificativ limita de eficiență de 29,4% a celulelor pe bază de siliciu.
2. Cost Scăzut: Materialele perovskitice sunt mai puțin sensibile la impurități, permițând producerea de celule cu peste 20% eficiență utilizând materiale perovskitice cu o puritate de aproximativ 90%. În contrast, siliciul necesită un nivel de puritate de 99,9999% pentru utilizare eficientă. În plus, producția de celule solare pe bază de perovskit necesită un investiment mai mic în lanțul de aprovizionare industrial, necesitând doar o singură fabrică, comparativ cu cele patru fabrici necesare pentru celulele pe bază de siliciu (material de siliciu, wafer de siliciu, celulă și modul).
3. Gama Largă de Aplicații: Celulele solare pe bază de perovskit pot fi fabricate în forme flexibile și ușoare, făcându-le potrivite pentru diverse aplicații, inclusiv fotovoltaice integrate în clădiri (BIPV), ecrane flexibile, îmbrăcăminte portabilă, corturi, surse de energie portabile și alte dispozitive portabile.
4. Performanță Excelentă în Condiții de Lumină Redusă: Materialele perovskitice pot funcționa eficient în medii cu lumină redusă, cum ar fi vremea înnorată sau în timpul zorilor și al amurgului. Acest lucru permite celulelor solare pe bază de perovskit să mențină o performanță bună chiar și în condiții de iluminare suboptimă, sporind potențialul lor general de generare a energiei.

Provocări Tehnice în Aplicațiile Practice ale Celulelor pe Bază de Perovskit

Celulele solare pe bază de perovskit, în ciuda caracteristicilor lor promițătoare, se confruntă încă cu mai multe provocări tehnice în aplicațiile practice:

1. Stabilitate pe Termen Lung: Stabilitatea materialelor pe bază de perovskit în fața factorilor de mediu, precum umiditatea, temperatura și expunerea la lumină, reprezintă o provocare semnificativă. Celulele solare pe bază de perovskit pot suferi degradare atunci când sunt expuse la aceste condiții pe perioade extinse. Deși testele de laborator au arătat durate de viață de aproximativ un an, acest lucru este totuși inferior comparativ cu celulele solare pe bază de siliciu. Standardizarea testării stabilității este un obiectiv important al cercetărilor actuale.
2. Echilibrarea Eficienței și Stabilității: Creșterea eficienței de conversie a celulelor solare pe bază de perovskit adesea compromite stabilitatea pe termen lung. Celulele perovskitice cu eficiență ridicată pot performa slab în testele de stabilitate pe termen lung. Găsirea echilibrului optim între eficiență și stabilitate este un obiectiv crucial al cercetărilor.
3. Pierderi de Eficiență în Aplicații pe Suprafață Mare: Uniformitatea și densitatea straturilor de perovskit în aplicațiile pe suprafețe mari sunt strâns legate de pierderile de eficiență. Celulele perovskitice de dimensiuni mici, produse în laboratoare, pot atinge o eficiență ridicată, dar această eficiență poate scădea atunci când sunt scalate la aplicații mari și practice.
4. Sisteme de Materiale Nesistematizate: Fabricarea celulelor de perovskit implică diverse opțiuni de materiale, iar sistemul de materiale nu este încă complet standardizat. Acest lucru crește incertitudinea și costurile în procesul de producție. Diferite echipe de cercetare pot folosi combinații diferite de materiale perovskitice, ceea ce duce la variații în performanță și rezultate de stabilitate.
5. Incertitudini în Procesele de Cristalizare: Procesul de fabricare a celulelor de perovskit implică procese complexe de cristalizare, iar incertitudinile în aceste procese pot afecta performanța și stabilitatea celulelor. Diferite metode și condiții de cristalizare pot rezulta în variații semnificative în calitatea și performanța peliculelor subțiri de perovskit.
6. Encapsulare și Protecție: Sunt necesare tehnici eficiente de encapsulare pentru a proteja celulele de perovskit de factorii de mediu. Aceasta include selectarea materialelor și proceselor de encapsulare potrivite pentru a proteja celulele de umiditate și oxigen.

Cele Mai Recente Dezvoltări în Cercetarea Celulelor Solare pe Bază de Perovskit

În 2024, au avut loc progrese semnificative în cercetarea celulelor solare pe bază de perovskit. Iată câteva dintre cele mai importante realizări:

1. Laboratorul Național pentru Optoelectronică al Universității HUST Wuhan: Echipa condusă de Wei Chen și Zonghao Liu a publicat un studiu în revista Nature, demonstrând utilizarea unui material hibrid auto-asamblat pentru transportul găurilor (HTM) pentru a spori eficiența celulelor solare pe bază de perovskit cu configurație inversă. Acest material oferă ultra-umiditate, distribuție uniformă la scară nanometrică, extracție rapidă a purtătorilor și recombinare non-radiativă scăzută. Aceste proprietăți permit transportul eficient al purtătorilor și pasivarea defectelor la interfața îngropată, îmbunătățind semnificativ performanța dispozitivului. Celulele solare perovskitice cu configurație inversă au atins o eficiență quasi-stabilă de 26,54%, certificată de o instituție de certificare autorizată, depășind recordul anterior pentru eficiența certificatului.
2. Universitatea Tsinghua: Echipa condusă de Yichen Yi a dezvoltat un nou material pentru transportul găurilor (HTM-T2) combinat cu filme subțiri de perovskit depuse prin vid, obținând un record mondial de eficiență de 26,41% pentru celulele solare pe bază de perovskit. HTM-T2 poate fi sintetizat din materii prime comerciale ieftine prin câțiva pași, făcându-l extrem de potrivit pentru producția de masă. Echipa a obținut, de asemenea, o eficiență certificat de 26,21% pentru celulele solare cu o suprafață de 0,1 cm² și 24,88% pentru celulele solare cu o suprafață de 1,0 cm².
3. Institutul de Chimie al Academiei Chineze de Științe: Echipa condusă de Yongfang Li și Lei Meng a propus o strategie de inginerie a oxidării localizate (LOE) pentru a controla și menține în mod eficient starea de oxidare adecvată a SnO2 în stratul de transport al electronilor. Adăugând dicromatul de amoniu ca oxidant, au compensat excesul de vacanțe de oxigen și au format un strat ultra-subțire de semiconductor de tip p Cr2O3 ca produs de reducere. Joncțiunea p-n nanometrică Cr2O3/SnO2 îmbunătățește extracția sarcinilor și reduce recombinarea non-radiativă la interfața îngropată. Celulele solare pe bază de perovskit cu α-FAPbI3 cu acest ETL au realizat o eficiență de conversie de 25,72% (eficiență certificată de 25,41%) și au demonstrat o stabilitate operațională T90>700h sub iluminare continuă de 1 soare.
4. Universitatea Shanghai Jiao Tong: În martie 2024, o echipă de cercetare a publicat un studiu în revista Science, arătând că celulele lor solare pe bază de perovskit cu configurație inversă au menținut 98,5% din eficiența lor inițială după 1000 de ore de stocare la 85% umiditate relativă și 85°C. În plus, aceste celule au păstrat 98,2% din eficiența lor inițială după ce au funcționat la punctul maxim de putere timp de 1200 de ore la 85°C.

Aceste dezvoltări subliniază progresele semnificative în îmbunătățirea eficienței, stabilității și scalabilității celulelor solare pe bază de perovskit, apropiindu-le de viabilitatea practică și comercială.

Aplicații Potențiale ale Celulelor Solare pe Bază de Perovskit

Celulele solare pe bază de perovskit au o gamă variată de aplicații potențiale datorită avantajelor lor unice, cum ar fi eficiența ridicată, ușurința, flexibilitatea și semi-transparența. Iată câteva cazuri de utilizare potențiale:

1. Fotovoltaice Integrate în Clădiri (BIPV): Celulele solare pe bază de perovskit pot fi integrate în materiale de construcție, cum ar fi feronerie, fațade din sticlă sau acoperișuri, combinând estetica cu producția de energie.
2. Surse de Energie Portabile: Datorită naturii lor ușoare și flexibile, celulele solare pe bază de perovskit pot fi integrate în dispozitive electronice portabile, cum ar fi telefoane inteligente, tablete și dispozitive purtabile, oferind capacități de încărcare fără fir.
3. Integrarea în Vehicule: Celulele solare pe bază de perovskit pot fi incorporate în suprafețele vehiculelor, dronelor și bicicletelor electrice, furnizând putere suplimentară, extinzând raza de acțiune sau reducând dependența de surse externe de energie.
4. Putere Off-Grid: În zone izolate sau în țările în dezvoltare, celulele solare pe bază de perovskit pot face parte din sisteme de putere off-grid, furnizând electricitate curată.
5. Aplicații Fotovoltaice în Interior: Datorită absorbției puternice a luminii, celulele solare pe bază de perovskit pot genera electricitate chiar și în condiții de iluminare interioară, fiind potrivite pentru iluminatul interior și dispozitivele cu consum redus de energie, cum ar fi senzorii.
6. Aplicații Spațiale: Proprietățile de ușurință și eficiență ridicată ale celulelor solare pe bază de perovskit le fac ideale pentru aplicații spațiale, furnizând putere pentru sateliți și alte nave spațiale.
7. Agricultură: Celulele solare pe bază de perovskit pot fi utilizate în sisteme de monitorizare și automatizare agricolă, cum ar fi controlere de irigație, stații meteorologice și dispozitive de monitorizare a culturilor.
8. Militar și Apărare: Datorită eficienței ridicate și portabilității, celulele solare pe bază de perovskit pot fi utilizate în echipamente militare și drone de recunoaștere nemânate, oferind putere fiabilă.
9. Electronics de Consum: Celulele solare pe bază de perovskit pot fi integrate în diverse produse electronice de consum, cum ar fi cititoarele electronice, difuzoarele portabile și ceasurile digitale.
10. Ajutor în Caz de Dezastre și Răspuns de Urgență: În caz de dezastre naturale sau urgențe, celulele solare pe bază de perovskit pot fi desfășurate rapid pentru a furniza putere imediată pentru operațiunile de salvare.

Aceste scenarii de aplicație diverse subliniază versatilitatea și potențialul celulelor solare pe bază de perovskit, poziționându-le ca o tehnologie transformatoare în sectorul energetic.

Concluzie

Cercetarea și aplicațiile celulelor solare pe bază de perovskit avansează continuu, prezentând un potențial nemărginit pentru dezvoltarea viitoare. Cu progrese tehnologice continue și reduceri de costuri, celulele solare pe bază de perovskit sunt pregătite să joace un rol semnificativ pe piața fotovoltaică viitoare, contribuind la tranziția energetică globală și dezvoltarea durabilă. Așteptăm cu nerăbdare comercializarea la scară largă a celulelor solare pe bază de perovskit în viitorul apropiat, aducând soluții energetice mai curate și mai eficiente umanității.

Începând din 2008, Maysun Solar s-a dedicat producerii de module fotovoltaice de înaltă calitate. Maysun Solar oferă o varietate de panouri solare TOPCon, IBC, HJT, precum și stații de energie solară pentru balcoane. Aceste panouri solare se remarcă prin performanțe excelente și design elegant, integrându-se perfect în orice clădire. Maysun Solar a stabilit cu succes birouri și depozite în multe țări europene și are parteneriate pe termen lung cu instalatori excelenți! Vă rugăm să ne contactați pentru cele mai recente oferte de module sau pentru orice întrebări legate de fotovoltaice. Suntem bucuroși să vă asistăm.

Referință:

Consiliul Național de Cercetare. (2007). Conversia avansată a fotonilor solari: Concepte, tehnologii și aplicații. The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/11976

Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., & Dunlop, E. D. (2012). Tabele privind eficiența celulelor solare (versiunea 38). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 20(1), 12-15. https://doi.org/10.1002/pip.1074

NREL. (2023). Best Research-Cell Efficiency. Laboratorul național pentru energie regenerabilă (NREL). https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

Stranks, S. D., & Snaith, H. J. (2013). Perovskite organice-inorganice pentru aplicații fotovoltaice. Materiale avansate, 25(22), 2966-2981. https://doi.org/10.1002/adma.201204079

Laboratorul național pentru energie regenerabilă (NREL). (2023). Photovoltaic Research - Perovskite Solar Cells. https://www.nrel.gov/pv/perovskite-solar-cells.html

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

Green, M. A., & Hoegel, J. (1989). Tabele de eficiență a celulelor solare. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 7(1), 3-8. https://doi.org/10.1002/pip.4670070103

Green, M. A. (2018). Solar cell efficiency tables (Versiunea 53). Journal of Photovoltaics, 8(1), 3-12. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2786899

S. Departamentul de Energie al SUA. (2023). Basic Research Needs for Solar Energy Utilization. https://www.energy.gov/eere/articles/basic-research-needs-solar-energy-utilization

Consiliul Național de Cercetare. (2011). Solar Energy Technologies for the 21st Century: The Role of the National Renewable Energy Laboratory (Rolul Laboratorului național pentru energie regenerabilă). The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13256

Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., & Dunlop, E. D. (2012). Tabele privind eficiența celulelor solare (versiunea 39). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 21(1), 8-13. https://doi.org/10.1002/pip.2464

NREL. (2023). Best Research-Cell Efficiency. Laboratorul național pentru energie regenerabilă (NREL). https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

Stranks, S. D., & Snaith, H. J. (2013). Perovskite organice-inorganice pentru aplicații fotovoltaice. Materiale avansate, 25(22), 2966-2981. https://doi.org/10.1002/adma.201204079

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

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

Green, M. A. (2018). Solar cell efficiency tables (Versiunea 53). Journal of Photovoltaics, 8(1), 3-12. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2017.2786899

S. Departamentul de Energie al SUA. (2023). Basic Research Needs for Solar Energy Utilization. https://www.energy.gov/eere/articles/basic-research-needs-solar-energy-utilization

Consiliul Național de Cercetare. (2011). Solar Energy Technologies for the 21st Century: The Role of the National Renewable Energy Laboratory (Rolul Laboratorului național pentru energie regenerabilă). The National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13256

Puteți, de asemenea, să vă interesați de: