Entwicklungsstand und Vorschläge der Perowskit-Photovoltaik-Technologie

Als aufstrebende Photovoltaik-Technologie der dritten Generation haben Perowskit-Solarzellen ihren photoelektrischen Umwandlungswirkungsgrad seit ihrer Einführung im Jahr 2009 in etwas mehr als zehn Jahren von 3,8 % auf 25,7 % gesteigert. Da sich der Wirkungsgrad kristalliner Silizium-Solarzellen allmählich der theoretischen Grenze nähert, ist er hoch -Effiziente, kostengünstige Perowskit-Zellen haben in der globalen Photovoltaikindustrie immer mehr Aufmerksamkeit erregt. Während die akademische Forschung weiterhin intensiv betrieben wird, hat auch die Industrialisierungstechnologie der Perowskit-Photovoltaik kontinuierliche Durchbrüche erzielt. Als weltweit größtes Photovoltaik-Land nimmt mein Land seit langem eine führende Position im Bereich der kristallinen Silizium-Photovoltaik ein; und im aufstrebenden Bereich der Perowskit-Photovoltaik steht es an der gleichen Startlinie wie andere Länder.

1. Entwicklungsstand der Perowskit-Photovoltaik-Technologie

Perowskit-Solarzellen nutzen Perowskit-strukturierte Halogenide als lichtabsorbierende Schichtmaterialien, die die Eigenschaften einer einstellbaren Bandlücke, eines hohen Lichtabsorptionskoeffizienten, eines niedrigen Temperaturkoeffizienten, einer Dünnheit und Flexibilität aufweisen und derzeit die vielversprechendste neue Art der großtechnischen Anwendung darstellen . Solarbatterie. Nach mehr als zehn Jahren Forschung haben die Grundprinzipien, Materialformulierungen und Leistungsoptimierungspfade der Perowskit-Photovoltaik allmählich Gestalt angenommen. Gleichzeitig stellen der Massenproduktionsprozess von kristallinen Silizium-Photovoltaikzellen und -Modulen und die vollständige Lokalisierung der Produktionslinienausrüstung eine führende Referenz für die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaiktechnologie dar. In den letzten Jahren haben Forschungs- und Entwicklungsteams von Universitäten und wissenschaftlichen Forschungsinstituten sowie Zell-, Modul- und Gerätehersteller im Bereich der kristallinen Silizium-Photovoltaik haben in die Forschung und Entwicklung der Perowskit-Photovoltaik-Technologie investiert. Bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen und Perowskitmodulen wurden erhebliche Fortschritte erzielt.

(1) Forschungsstand von Perowskit-Solarzellen

Der überzeugendste Vorteil von Perowskit-Solarzellen ist die hohe Effizienz. Der theoretische Grenzwirkungsgrad von Perowskit-Zellen liegt bei 33 %, viel höher als 29,4 % von kristallinen Siliziumzellen. Durch die Optimierung der Komponenten, der Mikrostruktur und des Vorbereitungsprozesses der Batterie hat die Effizienz der im Labor hergestellten Perowskit-Batterien immer wieder neue Höchstwerte erreicht. Im Juli 2022 erreichte die vom Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Perowskit-Batterie einen zertifizierten Wirkungsgrad von 25,6 % und übertraf damit den weltweit höchsten Wirkungsgradrekord von 25,7 %, der vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) aufgestellt wurde ) in Südkorea im Jahr 2021.

Der spektrale Reaktionsbereich von Perowskit-Batterien beträgt 300–800 Nanometer, also das sichtbare Lichtband, während kristalline Siliziumbatterien, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Batterien (CIGS) usw. Infrarotlicht absorbieren und nutzen können. Daher kann die Kombination von Perowskit-Zellen mit kristallinem Silizium, CIGS und anderen Zellen zu einer laminierten Zelle das Licht in jedem Band voll ausnutzen und eine höhere photoelektrische Umwandlungseffizienz erzielen. Auch die Perowskitzelle selbst kann durch Anpassung der Bandlücke den Absorptionsbereich des Lichts verändern. Durch die Kombination von Perowskitzellen mit großer und schmaler Bandlücke zu gestapelten Zellen kann die Effizienz der photoelektrischen Umwandlung erheblich verbessert werden. Im Juni 2022 entwickelte die Universität Nanjing eine Perowskit/Perowskit-Stapelbatterie mit einem Wirkungsgrad von 28,0 % und stellte damit einen neuen Weltrekord auf.

Flexible Perowskit-Batterien und Indoor-Perowskit-Batterien, die sich für Anwendungen wie Gebäude, tragbare Geräte und Konsumgüter eignen, sind ebenfalls aktuelle Forschungsschwerpunkte. Der höchste Wirkungsgrad der von der Tsinghua-Universität entwickelten flexiblen Perowskit-Batterie liegt bei 23,6 % und stellt damit einen neuen Weltrekord auf; Derzeit verfügt die Shaanxi Normal University über die weltweit höchste Effizienz von Indoor-Perowskit-Batterien. Bei einer Innenbeleuchtung von 824,5 Lux beträgt der Batteriewirkungsgrad bis zu 40,1 %.

Die Forschung meines Landes zu Perowskit-Solarzellen entwickelt sich im gleichen Tempo wie die Welt, und mehrere Forschungsteams befinden sich auf weltweit erstklassigem Niveau. Die fruchtbaren Ergebnisse der Laborforschung haben ausreichende theoretische Leitlinien für die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik in meinem Land geliefert. Wissenschaft und Industrie haben intensiv zusammengearbeitet, um die Umwandlung von Laborforschungsergebnissen in Vektorproduktionstechnologie kontinuierlich voranzutreiben.

(2) Entwicklungsstand der Perowskit-Photovoltaik-Modultechnologie

Perowskit-Photovoltaikmodule sind Dünnschichtmodule, die durch sequenzielles Aufbringen verschiedener Schichten dünner Schichten aus Perowskitzellen auf Glas und deren Einkapselung hergestellt werden. Die Lochtransportschicht, die Elektronentransportschicht, die Gegenelektrode und andere dünne Filme in der Batterie werden normalerweise durch Vakuumabscheidungsverfahren hergestellt, während der Herstellungsprozess der Perowskit-Absorptionsschicht in ein Nassverfahren und ein Trockenverfahren unterteilt wird. Das typische Nassverfahren wie das Schlitzbeschichtungsverfahren weist eine relativ einfache Gerätestruktur auf und ermöglicht eine einfache Erweiterung des Beschichtungsbereichs der Batteriefolie von der im Labor vorbereiteten Millimeterebene auf mehrere zehn Zentimeter, sodass es derzeit von den meisten verwendet wird der Testproduktionslinien. Da jedoch mit der Vergrößerung der Modulfläche höhere Anforderungen an die Filmqualität gestellt werden,

Aufgrund der Schwierigkeit bei der Qualitätskontrolle großflächiger Dünnfilme ist der Effizienzabfall umso größer, je größer die Fläche der Perowskitkomponente ist. Derzeit kann der Wirkungsgrad kleiner Module von mehreren zehn Quadratzentimetern mehr als 20 % erreichen, der Wirkungsgrad von Modulen von mehreren hundert Quadratzentimetern kann 18 % erreichen, während der Wirkungsgrad von Modulen größer als 0,1 Quadratmeter nur etwa 16 % beträgt. Es ist ersichtlich, dass die Effizienz von großtechnischen Perowskit-Komponenten, die für großtechnische Anwendungen geeignet sind, noch verbessert werden muss.

Bei den Produktionslinien für Perowskit-Komponenten, die vorläufig fertiggestellt wurden und sich im Bau befinden, handelt es sich allesamt um Testlinien mit einer Leistung von 100 Megawatt oder weniger, und der Perowskit-Absorptionsschichtfilm wird im Nassverfahren aufgetragen. Basierend auf Produktionslinienbedingungen, die der Massenproduktion ähneln, wird erwartet, dass die Materialformel, der Produktionsprozess und das Produktspezifikationsdesign von Komponenten schnell optimiert werden.

Der Hauptunterschied zwischen gestapelten Komponenten aus Perowskit/kristallinem Silizium und herkömmlichen Perowskit-Komponenten besteht darin, dass der Perowskit-Zellfilm nicht direkt auf dem gesamten Glas, sondern auf der kristallinen Siliziumzelle abgeschieden wird. Einerseits reduziert die kleinere Filmfläche den Größenbedarf der Filmabscheidungsanlagen, und die Kopplung mit der Produktionslinie für kristalline Siliziumzellen trägt auch dazu bei, die Produktionskosten zu senken; Andererseits müssen Perowskit-Zellen mit Lückenanpassung an kristalline Siliziumzellen verbunden werden, was das Batteriedesign schwieriger macht. Derzeit liegt der höchste Wirkungsgrad der im Labor hergestellten laminierten 20-Quadratzentimeter-Module aus Perowskit/kristallinem Silizium bei 26,63 %, es wurde jedoch noch keine Pilotlinie von laminierten Perowskit-Modulen fertiggestellt und in Produktion genommen.

Darüber hinaus entwickeln einige Forschungseinrichtungen und Hersteller basierend auf den leichten, dünnen und durchscheinenden Eigenschaften von Perowskit-Batterien flexible und farbige Komponenten. Es wird erwartet, dass diese speziellen Komponenten in tragbaren Geräten, im Baugewerbe und in anderen Szenarien eingesetzt werden.

2. Herausforderungen bei der Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik

(1) Die Stabilität von Perowskit-Batterien im Langzeitbetrieb

Das Stabilitätsproblem von Perowskit-Solarzellen ist die größte Herausforderung für praktische Anwendungen. Unter der Stimulation äußerer Bedingungen wie Wasserdampf, hoher Temperatur und ultravioletter Strahlung neigen Perowskit-Batterien zur Verschlechterung und ihre Leistung wird erheblich beeinträchtigt. Es gibt zwei Hauptmaßnahmen, um die Stabilität von Perowskit-Batterien zu verbessern. Zum einen geht es darum, die Komponenten und die Mikrostruktur der Batterie selbst zu optimieren, zum anderen geht es darum, die Verpackungsmaterialien und Verpackungsprozesse von Perowskit-Photovoltaikmodulen zu optimieren.

Einige Hersteller haben bekannt gegeben, dass die versuchsweise hergestellten Modulprodukte den Modulstabilitätstest bestanden haben, der gemäß den von der Photovoltaikindustrie anerkannten internationalen Standards wie IEC 61215 durchgeführt wurde, und auf dieser Grundlage wird spekuliert, dass die Lebensdauer von Perowskit-Modulen gleichwertig ist vergleichbar mit kristallinen Siliziummodulen, die eine Lebensdauer von 25 Jahren gewährleisten können. Nach einem Jahr liegt der Wirkungsgrad der Stromerzeugung immer noch über 80 % des Ausgangswerts. Da Perowskit-Komponenten jedoch noch nicht in Massenproduktion hergestellt und eingesetzt werden, muss ihre Stabilität in tatsächlichen Betriebsumgebungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und starkem Salznebel noch getestet werden.

(2) Effizienz- und Qualitätsprobleme großflächiger Perowskit-Komponenten

Die Effizienz und Qualität großflächiger Perowskit-Komponenten ist gering, hauptsächlich aufgrund der begrenzten Ausrüstung und des begrenzten Prozessniveaus der großflächigen Dünnschichtabscheidung. Anders als bei der Art der Reihen- und Parallelschaltung mehrerer kleinflächiger Zellen im kristallinen Siliziummodul erreicht die Beschichtungsfläche des Perowskitmoduls das Quadratmeterniveau. Derzeit besteht eine Lücke zwischen der großflächigen, gleichmäßigen und kontinuierlichen Beschichtungsleistung heimischer Vakuumbeschichtungsanlagen und dem internationalen Spitzenniveau. Darüber hinaus ist auch das Prozess-Debugging in der Produktionslinie für großflächige Beschichtungen relativ schwierig.

(3) Kurzschlussprobleme bei Schlüsselkomponenten der Photovoltaik-Produktionslinienausrüstung

Nach Jahren rasanter Entwicklung hat die Photovoltaikindustrie meines Landes im Wesentlichen die Lokalisierung der gesamten Produktionslinie der Ausrüstung realisiert, einige Schlüsselkomponenten der Ausrüstung sind jedoch immer noch auf Importe angewiesen. Beispielsweise weisen Vakuumpumpen, Hochfrequenz-Stromversorgungen, Ventile usw. in Vakuumbeschichtungsanlagen, Laser, Vibrationsspiegel usw. in Laserätzanlagen hinsichtlich technischer Indikatoren und Qualitätszuverlässigkeit einen großen Abstand zu internationalen Mainstream-Herstellern auf. Obwohl die Hersteller von Anlagen für die Photovoltaik-Produktionslinie meines Landes schon früher an der Entwicklung von Produktionsanlagen für Perowskit-Module beteiligt waren und vorläufige Ergebnisse erzielt haben, haben die kleinen Test-, Pilottest- und Massenproduktionslinien für Perowskit-Module in meinem Land stets ein hohes Maß an Qualität beibehalten Lokalisierung,

3. Vorschläge zur Förderung der Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik

(1) Die führende Rolle der Regierung effektiv spielen

. Die Perowskit-Photovoltaik-Technologie hat als neue Generation der Photovoltaik-Technologie mit den vielversprechendsten Aussichten für groß angelegte Anwendungen die Aufmerksamkeit der nationalen Energie- und Energiebranche auf sich gezogen Technologiebehörden, Hochschulen, Industrie und verschiedene Investmentgesellschaften. Es gibt jedoch Hype-Konzepte und das blinde Verfolgen des aktuellen Markttrends, die sich negativ auf die solide Weiterentwicklung der Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik-Technologie auswirken können.

Um die effiziente und geordnete Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaiktechnologie zu fördern, sollte die Regulierungs- und Führungsrolle der nationalen Energie-, Wissenschafts- und Technologiebehörden umfassend genutzt werden, um technische Indikatoren zu formulieren und Anreizmaßnahmen einzuführen. Einrichtung eines Koordinierungsmechanismus „Regierung-Industrie-Universität-Forschung-Anwendung“, um verschiedene technische Wege, verschiedene F&E- und Markteinheiten zu fördern, die sich umfassend am Industrialisierungsprozess der Perowskit-Photovoltaik-Technologie beteiligen; Halten Sie sich an das Konzept der Offenheit und Zusammenarbeit, leiten Sie den inländischen und internationalen wechselseitigen Fluss von Technologie, Talenten, Kapital usw. und bestehen Sie auf „Einladen“ und „Ausgehen“. Achten Sie gleichermaßen darauf, aktiv eine umfassende und tief integrierte internationale Industrieökologie zu schaffen. Ermutigen Sie staatliches Kapital, die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaiktechnologie in verschiedenen Formen zu unterstützen, und steuern Sie die gesunde Entwicklung der Branche durch Marktmittel.

Kommunalverwaltungen auf allen Ebenen sollten ernsthaft nationale politische Anforderungen wie den „14. Fünfjahresplan für wissenschaftliche und technologische Innovation im Energiebereich“ und den „Umsetzungsplan zur Unterstützung der Kohlenstoffneutralität auf dem Höhepunkt des Kohlenstoffs (2022–2030)“ formulieren und die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik fördern. Spezifische Pläne und Anreizrichtlinien, die den Grundsätzen der Wissenschaft, des Pragmatismus und der Strenge folgen und die gesunde Entwicklung der für diese Region geeigneten Kettenglieder der Perowskit-Photovoltaik-Industrie fördern.

(2) Multidisziplinäre Zusammenarbeit zur Bildung einer gemeinsamen Truppe

Die Laborforschung und Entwicklung der Perowskit-Photovoltaiktechnologie wird hauptsächlich von Wissenschaftlern aus den Bereichen Materialwissenschaften, Chemie und Physik geleitet. Wenn es in die Phase der Industrialisierung eintritt, umfasst es mehr technische Bereiche und mehr Glieder in der Industriekette. Eine Zusammenarbeit in mehreren Berufsfeldern ist erforderlich. Insbesondere ist es notwendig, fortschrittliche Technologien in verschiedenen Berufsfeldern aktiv einzuführen, um die Effizienz und Wirkung der Perowskit-Photovoltaik-Industrialisierung zu verbessern. Beispielsweise durch den Einsatz von maschinellem Lernen, Big Data und anderen Technologien, um alle manuellen Methoden bis zu einem gewissen Grad zu ersetzen, Hochdurchsatzexperimente durchzuführen, die Materialien, Formulierungen und Herstellungsprozessbedingungen von Perowskit-Photovoltaikmodulen effizient und genau zu überprüfen, und die Materialien und die Produktionskapazität der Produktionslinie erheblich verbessern. Die Geschwindigkeit der Prozessoptimierung; Unter Nutzung der fortschrittlichen Technologie in den Bereichen Beschichtung von großflächigen Anzeigetafeln, Halbleiterverarbeitung, Verarbeitung optischer Elemente und anderen Bereichen und Produktionsanlagen hilft das Unternehmen dabei, die Qualität der Beschichtung von Perowskit-Photovoltaikmodulen zu verbessern.

(3) Beschleunigung der Demonstration und Demonstrationsanwendung von Perowskit-Photovoltaikprodukten.

Potenzielle Risiken wie Instabilität und Austritt giftiger Metalle von Perowskit-Photovoltaikmodulen werden deren groß angelegte Anwendung behindern. Daher ist es notwendig, seine tatsächliche Leistungsfähigkeit und Sicherheit so schnell wie möglich durch zahlreiche empirische Tests und Demonstrationsanwendungen herauszufinden, um das Anwendungsrisiko genau einzuschätzen und seine Förderung und Anwendung wissenschaftlich zu unterstützen.

Die reibungslose Entwicklung von Demonstrations- und Demonstrationsanwendungen von Perowskit-Photovoltaikprodukten erfordert die Zusammenarbeit von Benutzereinheiten und Stromnetzunternehmen mit Herstellern von Perowskit-Photovoltaikprodukten, Herstellern von Photovoltaiksystemgeräten, Prüf- und Zertifizierungseinheiten, Design- und Konstruktionseinheiten usw., um alles zu öffnen Aspekte der Projektumsetzung, um eine offene und integrative Anwendungsumgebung zu schaffen.

(4) Bauen Sie zeitnah ein Standardsystem für die Perowskit-Photovoltaik-Technologie auf und streben Sie aktiv danach, das Mitspracherecht bei internationalen Standards zu erlangen

Um sicherzustellen, dass die Produktions- und Anwendungstechnologie von Perowskit-Photovoltaikprodukten standardisiert, systematisch, skalierbar und mit dem bestehenden System der Photovoltaik-Anwendungstechnologie kompatibel ist, sollte gleichzeitig im Prozess der Perowskit-Photovoltaik-Industrialisierung ein Standardsystem etabliert werden. Der Aufbau des Perowskit-Photovoltaik-Standardsystems sollte auf dem aktuellen Standardsystem für Photovoltaik-Technologie basieren, den Anwendungsanforderungen gerecht werden, die Merkmale der Produktion und Anwendung von Perowskit-Photovoltaikprodukten vollständig widerspiegeln und die kontinuierliche Entwicklung und Veränderung der Perowskit-Photovoltaik berücksichtigen Technologie. Je nach Sachlage sind sowohl Standardisierung als auch Flexibilität zu berücksichtigen.

Die Etablierung des aktuellen internationalen Photovoltaik-Standardsystems begann in den 1980er Jahren. Die kristalline Silizium-Photovoltaik-Industrie meines Landes entwickelte sich als aufstrebender Stern im Rahmen des bestehenden internationalen Standardsystems und leistete kaum originelle Beiträge zur Formulierung internationaler Standards. Die Beteiligung an internationalen Standardorganisationen ist relativ gering und das Rederecht gering. Auf dem Gebiet der Perowskit-Photovoltaik ist das Forschungsniveau meines Landes mit dem der Welt vergleichbar, und der Fortschritt und das Ausmaß der Industrialisierung weisen einen leichten Vorteil auf. Daher sollten wir die Gelegenheit nutzen, den Perowskit-Photovoltaikbereich meines Landes aktiv zu unterstützen, insbesondere die technischen Experten an vorderster Front der Industrialisierung.