In den letzten Jahren haben die Forschung und Entwicklung sowie die Industrialisierung von Perowskiten bemerkenswerte Fortschritte gemacht und sich zu den vielversprechendsten Solarzellen der nächsten Generation entwickelt. Dank der Innovationen mehrerer Forschungsgruppen aus der ganzen Welt WeltenergiespeicherPerowskit-Solarzellen haben den kritischen Meilenstein von 30% Energiewirkungsgrad überschritten. Diese Leistung macht dieses Jahr zu einem "revolutionären" Jahr und könnte die Einführung der Solarenergie beschleunigen, so ein Experte.
1. Überprüfung der Solarenergie-Speicherbatterie
Als eine Art chemische Energiespeicherung Batterie ist die Lithium-Ionen-Batterie das am schnellsten wachsende und größte neue Energiespeichergerät der letzten Jahre. Sie ist in allen Teilen der Welt verbreitet und erfüllt die unterschiedlichen Bedürfnisse der menschlichen Gesellschaft nach Energiespeicherung.
Unter den Lithium-Ionen-Batterien zur Energiespeicherung haben Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien mehr Vorteile als Batterien aus ternärem Material und sind die wichtigste Entwicklungsrichtung für Lithium-Ionen-Batterien zur Energiespeicherung in der Zukunft. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich Energiespeicherbatterien hauptsächlich auf die Wirtschaftlichkeit der Batterieproduktion und -nutzung konzentrieren und dass Faktoren wie Batteriekosten, Zyklusleistung und volle Leistung stärker berücksichtigt werden sollten. Lebensdauer der Batterie Kosten.
Daher werden Lithium-Eisenphosphat-Batterien aufgrund ihrer Vorteile wie niedrige Produktionskosten, hohe Zykluszeiten und höhere Sicherheit bevorzugt.
Die Verwendung von Fotovoltaikzellen zur Stromerzeugung und von Lithium-Ionen-Batterien zur Stromspeicherung wird zu einem wichtigen Bestandteil der Strategien für saubere Energie in Ländern auf der ganzen Welt.
2. Klassifizierung von Perowskit-Solarzellen
Im Folgenden stellen wir vier Arten von Perowskit-Solarzellen vor: Perowskit-Einfachsolarzellen, Perowskit/kristallines Si-Stapelzellen, Perowskit/CIGS-Perowskit-Stapelzellen und Vollperowskit-Stapelzellen.
- Perowskit-Solarzellen mit einem Übergang
Entwicklungsstadium: Einstieg in die erste Kommerzialisierung
Wirkungsgrad der Umwandlung: Derzeit liegt der Wirkungsgrad von Perowskit-Zellen mit einem Übergang bei 25,7%.
Probleme und Herausforderungen: Bauelementehysterese, Blei-Toxizität, Ionenmigration, großflächige Schichtgleichmäßigkeit und Bauelementestabilität usw.
- Perowskit/kristalline Si-Stapelzellen
Entwicklungsstadium: Die Entwicklung von Stapelzellen aus kristallinem Silizium ist ausgereifter, und der Industrialisierungsprozess beschleunigt sich.
Wirkungsgrad der Umwandlung: Der theoretische Grenzwirkungsgrad wird voraussichtlich mehr als 43% erreichen.
Probleme und Herausforderungen: Die Hauptschwierigkeit besteht darin, dünne Schichten auf texturierten Pyramidenstrukturen auf Heteroübergangsflächen abzuscheiden (in der Regel auf flachem leitfähigem Glas).
- Perowskit/CIGS-Stapelzellen
Entwicklungsstadium: Sie ist eine der traditionellen kommerziellen Dünnschicht-Solarzellentechnologien.
Wirkungsgrad der Umwandlung: der bisher höchste Wert, die Effizienz erreicht 28,4%
Probleme und Herausforderungen: Eine der wichtigsten Herausforderungen bei dieser Technologie ist das konforme Wachstum von Perowskit-Topzellen auf der rauen CIGS-Zelloberfläche oder die Verbesserung der Oberflächenrauheit durch eine verstärkte Oberflächennachbehandlung oder die Optimierung des Abscheidungsprozesses der CIGS-Absorberschicht.
- Ganz-Perowskit-Stapelzellen
Entwicklungsstadium: Dem Labor ist es gelungen, mit kleinflächigen Komponenten einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
Wirkungsgrad der Umwandlung: Der Umwandlungswirkungsgrad erreicht 29% (von Renshine solar, im Januar 2023)
Probleme und Herausforderungen: Die derzeitige Materialstabilität und die Qualität der Lichtabsorption behindern die Entwicklung von reinen Perowskit-Stapelzellen.
3. Marktnachfrage
Die heutigen Solarzellen auf Siliziumbasis nähern sich rasch ihrem maximalen Wirkungsgrad von 29 % bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom. Unterdessen sagen Wissenschaftler, dass sich die Zahl der Solaranlagen verzehnfachen muss, um die Klimakrise zu bewältigen.
Der von Perowskit-Solarzellen erreichte Umwandlungswirkungsgrad von 30% stimmt zuversichtlich, dass leistungsstarke und kostengünstige PV-Produkte auf den Markt kommen werden. Die weltweite Solarkapazität wird bis 2022 1,2 Terawatt (TW) erreichen. Um jedoch Katastrophenszenarien im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung zu vermeiden, muss die Gesamtkapazität bis 2050 auf etwa 75 TW steigen.
4. Neue Fortschritte bei Perowskit-Solarzellen
Technische Aspekte
Der Durchbruch gelang durch die Hinzufügung einer Perowskitschicht (ein anderer Halbleiter) auf der Siliziumschicht. Sie fängt blaues Licht im sichtbaren Spektrum ein, während Silizium rotes Licht einfängt, was die Gesamtmenge des eingefangenen Lichts erhöht. Da Perowskit-Solarzellen mehr Energie absorbieren, ist die Solarenergie sogar billiger und kann schneller eingesetzt werden, um die globale Erwärmung zu bremsen.
Die aktuellen Ergebnisse aus den Ländern
"Dieses Jahr war revolutionär", sagte Professor Stefan de Wolfe von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien. "Es ist aufregend, wie schnell die Dinge in verschiedenen Gruppen voranschreiten.
Auch die Solarindustrie beteiligt sich an dem Wettlauf um hohe Wirkungsgrade. Die chinesische LonGi Corporation, der weltweit größte Solarzellenhersteller, gab im Juni bekannt, dass ihre Forschungsergebnisse 33,5% erreicht haben. "Die Senkung der Strompreise ist nach wie vor ein ewiges Thema, um die Entwicklung der Photovoltaik-Industrie voranzutreiben." sagte der Präsident von LonGi.
"Die Branche entwickelt sich sehr, sehr schnell", sagte DeWolfe. "Ich bin sicher, dass es in China mehrere Unternehmen gibt, die daran arbeiten". Er sagte, Europa und die Vereinigten Staaten müssten die Mittel für Forschung und Entwicklung aufstocken, um mit der beschleunigten Entwicklung der Solarenergie Schritt zu halten und dazu beizutragen.
5. Vorteile gegenüber Nachteilen
Vorteile
Das britische Unternehmen Oxford PV meldete im Mai einen Rekordwirkungsgrad von 28,6% für Zellen im kommerziellen Maßstab, und die Skalierung hat bereits begonnen. Chris Case, Chief Technology Officer bei Oxford PV, sagte: "Solarenergie ist bereits jetzt eine der billigsten und saubersten Energieformen, und unsere Energiespeichertechnologien wird es noch erschwinglicher machen".
Professor Rob Gross, Direktor des UK Center for Energy Research, sagte: "Die Solarenergie ist bereits eine kostengünstige Form der Stromerzeugung und verfügt weltweit über eine breite Ressourcenbasis. Die erreichten Kostensenkungen sind der Grund dafür, dass die Solarenergie heute eine so wichtige Rolle in einem dekarbonisierten Energiesystem spielt. Die Steigerung des Wirkungsgrads hat das Potenzial, die Leistung der Solarenergie zu erhöhen, so dass sie dazu beitragen wird, diesen Effekt zu verstärken."
Benachteiligungen
Derzeit wird die Industrialisierung von Perowskit-Solarzellen vor allem durch die schlechte Stabilität der Zellen, die Toxizität der Zellmaterialien, die Verkapselung der Zellen und den Produktionsprozess behindert.
- Schlechte Stabilität: Da das Perowskit-Material der lichtabsorbierenden Schicht leicht Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt und oxidiert, ist die Zelle störanfällig, so dass die Stabilität der Batterie nicht sehr gut ist. Die Frage, wie man die Stabilität des Perowskit-Materials in der Zelle und die Leistung der Zelle aufrechterhalten kann, ist ein zentrales Problem, das es derzeit zu lösen gilt.
- Giftig: Derzeit ist in Perowskit-Solarzellen das organisch-anorganische Perowskit CH3NH3PbX3 (X=Br, Cl, I) das wichtigste Material für die lichtabsorbierende Schicht, und Blei ist ein Schwermetall mit hoher Toxizität. Der Recyclingprozess kann zu Umweltverschmutzung führen; Forscher versuchen derzeit, Blei durch ungiftige Elemente zu ersetzen.
- Verkapselung der Zelle: Da das Perowskit-Material leicht Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen kann, kommt es zur Oxidation. Dies erfordert, dass man sich während des Verpackungsprozesses von Wasserdampf fernhält, d. h., dass man den Kontakt mit der Luft so weit wie möglich vermeidet; dies erhöht die Schwierigkeit, Perowskit-Solarzellen zu verpacken, und eine gute Verpackung kann nicht nur das Austreten toxischer Elemente verhindern, sondern auch die Effizienz und die Haltbarkeit der Zellen verbessern.
- Fragen zum Produktionsprozess: Gegenwärtig sind die Produktionsbedingungen für Perowskit-Solarzellen relativ rau. Es muss Wasserdampf isoliert und sogar unter dem Schutz von Inertgas hergestellt werden, was die industrielle Produktion erheblich erschwert. Darüber hinaus sind die Schritte zur Herstellung von Perowskit-Schichtmaterialien relativ kompliziert, und es ist schwierig, eine großindustrielle Produktion zu erreichen, weshalb weitere Verbesserungen erforderlich sind.
Zusammenfassung:
Die Sonnenenergie ist das großzügigste Geschenk der Natur, aber die Nutzung der photovoltaische Energiespeicherung ist derzeit nicht sehr populär, und es gibt immer noch Probleme mit den hohen Kosten und der geringen Umwandlungseffizienz bei der Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung.
Nur wenn die Umwandlungseffizienz der Solarenergie pro Flächeneinheit verbessert wird, kann die Energie effektiv genutzt und ein perfekter Übergang zwischen Solar- und elektrischer Energie erreicht werden. Dann wird die Mobilität von Perowskit-Solarzellen kein Problem mehr sein.
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