État de développement et suggestions de la technologie photovoltaïque pérovskite

En tant que technologie photovoltaïque émergente de troisième génération, les cellules solaires à pérovskite ont augmenté leur efficacité de conversion photoélectrique de 3,8 % à 25,7 % en un peu plus de dix ans depuis leur lancement en 2009. À mesure que l'efficacité des cellules solaires en silicium cristallin se rapproche progressivement de la limite théorique, une -les cellules de pérovskite à faible coût ont attiré de plus en plus l'attention de l'industrie photovoltaïque mondiale. Alors que la recherche académique continue d'être menée en profondeur, la technologie d'industrialisation du photovoltaïque à pérovskite a également fait des percées continues. En tant que plus grand pays photovoltaïque au monde, mon pays a longtemps maintenu une position de leader dans le domaine du photovoltaïque au silicium cristallin ; et dans le domaine émergent du photovoltaïque pérovskite, il est sur la même ligne de départ que d'autres pays.

1. État de développement de la technologie photovoltaïque pérovskite

Les cellules solaires en pérovskite utilisent des halogénures structurés en pérovskite comme matériaux de couche absorbant la lumière, qui ont les caractéristiques d'une bande interdite réglable, d'un coefficient d'absorption de la lumière élevé, d'un faible coefficient de température, de finesse et de flexibilité, et sont actuellement le nouveau type d'application à grande échelle le plus prometteur. . Batterie solaire. Après plus de dix ans de recherche, les principes de base, les formulations de matériaux et les voies d'optimisation des performances du photovoltaïque à pérovskite ont progressivement pris forme. Dans le même temps, le processus de production de masse des cellules et modules photovoltaïques en silicium cristallin et la localisation complète des équipements de la chaîne de production constituent une référence de premier plan pour l'industrialisation de la technologie photovoltaïque pérovskite. Depuis quelques années, les équipes R&D des universités et des instituts et cellules de recherche scientifique, les fabricants de modules et d'équipements dans le domaine du photovoltaïque au silicium cristallin ont investi dans la recherche et le développement de la technologie photovoltaïque pérovskite. Des progrès significatifs ont été réalisés dans les modules photovoltaïques et les équipements de production de modules à pérovskite.

(1) État de la recherche sur les cellules solaires à pérovskite

Le rendement élevé est l'avantage le plus convaincant des cellules solaires à pérovskite. L'efficacité limite théorique des cellules à pérovskite est de 33%, bien supérieure à 29,4% des cellules au silicium cristallin. En optimisant les composants, la microstructure et le processus de préparation de la batterie, l'efficacité des batteries à pérovskite préparées en laboratoire a atteint à plusieurs reprises de nouveaux sommets. En juillet 2022, la batterie pérovskite développée par l'Institut des semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences a obtenu une efficacité certifiée de 25,6 %, juste derrière le record d'efficacité le plus élevé au monde de 25,7 % créé par l'Institut national des sciences et technologies d'Ulsan (UNIST ) en Corée du Sud en 2021.

La plage de réponse spectrale des batteries à pérovskite est de 300 à 800 nanomètres, c'est-à-dire la bande de lumière visible, tandis que les batteries au silicium cristallin, les batteries au séléniure de cuivre, d'indium et de gallium (CIGS), etc. peuvent absorber et utiliser la lumière infrarouge. Par conséquent, la combinaison de cellules pérovskite avec du silicium cristallin, du CIGS et d'autres cellules pour former une cellule laminée peut tirer pleinement parti de la lumière dans chaque bande et obtenir une efficacité de conversion photoélectrique plus élevée. La cellule pérovskite elle-même peut également modifier la plage d'absorption de la lumière en ajustant la bande interdite. En combinant des cellules de pérovskite à large bande interdite et à bande étroite dans des cellules empilées, l'efficacité de conversion photoélectrique peut être considérablement améliorée. En juin 2022, l'Université de Nanjing a développé une batterie à pile pérovskite / pérovskite avec une efficacité de 28,0%, établissant un nouveau record du monde.

Les batteries à pérovskite flexibles et les batteries à pérovskite d'intérieur adaptées à des applications telles que les bâtiments, les appareils portables et les biens de consommation sont également des points chauds de la recherche actuelle. Le rendement le plus élevé de la batterie à pérovskite flexible développée par l'Université Tsinghua est de 23,6 %, établissant un nouveau record mondial ; Actuellement, l'efficacité la plus élevée au monde de la batterie pérovskite d'intérieur est maintenue par l'Université normale du Shaanxi. Sous la lumière intérieure de 824,5 lux, l'efficacité de la batterie atteint 40,1 %.

la recherche de mon pays sur les cellules solaires à pérovskite se développe au même rythme que le monde, et plusieurs équipes de recherche sont au meilleur niveau mondial. Les résultats fructueux des recherches en laboratoire ont fourni des orientations théoriques suffisantes pour l'industrialisation du photovoltaïque à pérovskite dans mon pays. Le milieu universitaire et l'industrie ont mené une coopération approfondie pour promouvoir en permanence la transformation des résultats de la recherche en laboratoire en technologie de production de vecteurs.

(2) État de développement de la technologie des modules photovoltaïques pérovskite

Les modules photovoltaïques en pérovskite sont des modules à couches minces, qui sont fabriqués en déposant séquentiellement diverses couches de couches minces de cellules en pérovskite sur du verre et en les encapsulant. La couche de transport de trous, la couche de transport d'électrons, la contre-électrode et les autres films minces de la batterie sont généralement préparés par une méthode de dépôt sous vide, tandis que le processus de préparation de la couche d'absorption de pérovskite est divisé en méthode humide et méthode sèche. Le processus humide typique, tel que la méthode de revêtement par fente, a une structure d'équipement relativement simple et il est facile d'élargir la zone de revêtement du film de batterie du niveau millimétrique préparé en laboratoire à des dizaines de centimètres, il est donc actuellement utilisé par la plupart des lignes de production d'essai. Cependant, étant donné que l'augmentation de la surface du module imposera des exigences plus élevées en matière de qualité du film,

En raison de la difficulté de contrôle de la qualité des films minces de grande surface, plus la surface du composant pérovskite est grande, plus la baisse d'efficacité est importante. À l'heure actuelle, l'efficacité de petits modules de dizaines de centimètres carrés peut atteindre plus de 20%, l'efficacité de modules de centaines de centimètres carrés peut atteindre 18%, tandis que l'efficacité de modules de plus de 0,1 mètre carré n'est que d'environ 16%. On peut voir que l'efficacité des composants de pérovskite à grande échelle adaptés aux applications à grande échelle doit encore être améliorée.

Les lignes de production de composants de pérovskite qui ont été préalablement achevées et en cours de construction sont toutes des lignes de test de 100 mégawatts ou moins, et le film de couche absorbante de pérovskite est revêtu par voie humide. Sur la base de conditions de chaîne de production similaires à la production de masse, la formule du matériau, le processus de production et la conception des spécifications du produit des composants devraient être rapidement optimisés.

La principale différence entre les composants empilés en pérovskite/silicium cristallin et les composants en pérovskite conventionnels est que le film cellulaire en pérovskite n'est pas déposé directement sur l'ensemble du verre, mais sur la cellule en silicium cristallin. D'une part, la plus petite surface de film réduit les exigences de taille pour l'équipement de dépôt de film, et le couplage avec la ligne de production de cellules en silicium cristallin contribue également à réduire les coûts de production ; d'autre part, les cellules de pérovskite doivent être liées avec des cellules de silicium cristallin correspondant à l'espacement, la conception de la batterie est plus difficile. À l'heure actuelle, le rendement le plus élevé des modules laminés de pérovskite/silicium cristallin de 20 centimètres carrés préparés en laboratoire est de 26,63 %, mais aucune ligne pilote de modules laminés de pérovskite n'a été achevée et mise en production.

De plus, sur la base des caractéristiques légères, fines et translucides des batteries à pérovskite, certains instituts de recherche et fabricants développent des composants flexibles et colorés. Ces composants spéciaux devraient être appliqués dans les appareils portables, la construction et d'autres scénarios.

2. Défis rencontrés par l'industrialisation du photovoltaïque à pérovskite

(1) La stabilité des batteries à pérovskite en service à long terme

Le problème de stabilité des cellules solaires en pérovskite est le principal défi pour les applications pratiques. Sous la stimulation de conditions externes telles que la vapeur d'eau, les températures élevées et les rayons ultraviolets, les batteries à pérovskite sont sujettes à la dégradation et leurs performances sont sérieusement atténuées. Il existe deux mesures principales pour améliorer la stabilité des batteries à pérovskite. L'une consiste à optimiser les composants et la microstructure de la batterie elle-même, et l'autre consiste à optimiser les matériaux d'emballage et les processus d'emballage des modules photovoltaïques en pérovskite.

Certains fabricants ont annoncé que les produits de module produits à l'essai ont réussi le test de stabilité du module effectué conformément aux normes internationales reconnues par l'industrie photovoltaïque telles que la CEI 61215, et sur cette base, il est supposé que la durée de vie des modules de pérovskite est équivalente à celle des modules en silicium cristallin, qui peuvent assurer une durée de vie de 25 ans. Après un an, l'efficacité de la production d'électricité reste supérieure à 80 % de la valeur initiale. Cependant, étant donné que les composants en pérovskite n'ont pas encore été produits en masse et appliqués, leur stabilité dans des environnements de service réels tels que des températures élevées, une humidité élevée et un brouillard salin élevé reste à tester.

(2) Problèmes d'efficacité et de qualité des composants de pérovskite de grande surface

L'efficacité et la qualité des composants de pérovskite de grande surface sont faibles, principalement en raison de l'équipement limité et du niveau de processus de dépôt de couches minces de grande surface. Différent du mode de connexion de plusieurs cellules de petite surface en série et en parallèle dans le module de silicium cristallin, la zone de revêtement du module de pérovskite atteint le niveau du mètre carré. À l'heure actuelle, il existe un écart entre les performances de revêtement uniformes et continues sur de grandes surfaces des équipements de revêtement sous vide domestiques et le niveau avancé international. De plus, le débogage du processus sur la ligne de production de revêtement de grande surface est également relativement difficile.

(3) Problèmes de carte courte des composants clés de l'équipement de la chaîne de production photovoltaïque

Après des années de développement rapide, l'industrie photovoltaïque de mon pays a essentiellement réalisé la localisation de toute la chaîne de production d'équipements, mais certains composants clés de l'équipement dépendent encore des importations. Par exemple, les pompes à vide, les alimentations à radiofréquence, les vannes, etc. dans les équipements de revêtement sous vide, les lasers, les miroirs vibrants, etc. dans les équipements de gravure au laser, présentent un écart important avec les principaux fabricants internationaux en termes d'indicateurs techniques et de fiabilité de la qualité. Bien que les fabricants d'équipements de ligne de production photovoltaïque de mon pays aient été impliqués dans le développement d'équipements de production de modules de pérovskite plus tôt et aient obtenu des résultats préliminaires, de sorte que les petites lignes de test, de test pilote et de production de masse du module de pérovskite de mon pays ont toujours maintenu un degré élevé de localisation,

3. Propositions visant à promouvoir l'industrialisation du photovoltaïque à pérovskite

(1) Jouer efficacement le rôle directeur du gouvernement

La technologie photovoltaïque à pérovskite, en tant que nouvelle génération de technologie photovoltaïque avec les perspectives d'application à grande échelle les plus prometteuses, a attiré l'attention de l'énergie nationale et autorités technologiques, universités, industrie et diverses entités d'investissement. Cependant, il existe des concepts à la mode et qui suivent aveuglément la tendance du marché actuel, ce qui peut avoir un impact négatif sur la solide progression de l'industrialisation de la technologie photovoltaïque à pérovskite.

Afin de promouvoir l'industrialisation efficace et ordonnée de la technologie photovoltaïque pérovskite, le rôle de réglementation et d'orientation des autorités nationales de l'énergie et de la science et de la technologie devrait être pleinement utilisé pour formuler des indicateurs techniques et introduire des politiques d'incitation ; établir un mécanisme de coordination "gouvernement-industrie-université-recherche-application" pour encourager diverses voies techniques diverses, diverses entités de R&D et de marché à participer largement au processus d'industrialisation de la technologie photovoltaïque pérovskite ; adhérer au concept d'ouverture et de coopération, guider le flux bidirectionnel national et international de technologie, de talents, de capitaux, etc., et insister sur "l'invitation" et la "sortie". Accorder la même attention à la création active d'une écologie industrielle internationale complète et profondément intégrée ; encourager les capitaux publics à soutenir l'industrialisation de la technologie photovoltaïque pérovskite sous diverses formes et guider le développement sain de l'industrie par les moyens du marché.

Les gouvernements locaux à tous les niveaux devraient sérieusement mettre en œuvre les exigences de la politique nationale telles que le "14e plan quinquennal pour l'innovation scientifique et technologique dans le domaine de l'énergie" et le "Plan de mise en œuvre de la neutralité carbone du pic de carbone de soutien scientifique et technologique (2022-2030)" pour formuler et promouvoir l'industrialisation du photovoltaïque à pérovskite Des plans spécifiques et des politiques incitatives, suivre les principes de la science, du pragmatisme et de la rigueur, et promouvoir le développement sain des maillons de la chaîne de l'industrie photovoltaïque à pérovskite adaptés à cette région.

(2) Coopération multidisciplinaire pour former une force conjointe

La recherche et le développement en laboratoire de la technologie photovoltaïque pérovskite sont principalement dirigés par des universitaires dans les domaines de la science des matériaux, de la chimie et de la physique. Lorsqu'elle entre dans la phase d'industrialisation, elle implique plus de domaines techniques et plus de maillons de la chaîne industrielle. La collaboration dans plusieurs domaines professionnels est nécessaire. En particulier, il est nécessaire d'introduire activement des technologies de pointe dans divers domaines professionnels pour améliorer l'efficacité et l'effet de l'industrialisation photovoltaïque à pérovskite. Par exemple, utiliser l'apprentissage automatique, le big data et d'autres technologies pour remplacer dans une certaine mesure toutes les méthodes manuelles, réaliser des expériences à haut débit, cribler efficacement et avec précision les matériaux, les formulations et les conditions du processus de fabrication des modules photovoltaïques en pérovskite, et améliorer considérablement les matériaux de la ligne de production et la capacité de production. La rapidité d'optimisation des processus ; s'appuyant sur la technologie de pointe dans les domaines du revêtement de panneaux d'affichage à grande surface, du traitement des semi-conducteurs, du traitement des éléments optiques et d'autres domaines et équipements de production, pour aider à améliorer la qualité du revêtement des modules photovoltaïques pérovskite.

(3) Accélérer la démonstration et l'application de démonstration des produits photovoltaïques en pérovskite

Les risques potentiels tels que l'instabilité et les fuites de métaux toxiques des modules photovoltaïques en pérovskite entraveront son application à grande échelle. Par conséquent, il est nécessaire de connaître dès que possible ses performances et sa sécurité de service réelles grâce à un grand nombre de tests empiriques et d'applications de démonstration, afin d'évaluer avec précision son risque d'application et de fournir un soutien scientifique pour sa promotion et son application.

Le développement harmonieux des applications de démonstration et de démonstration des produits photovoltaïques en pérovskite nécessite la coopération des unités utilisatrices et des entreprises du réseau électrique avec les fabricants de produits photovoltaïques en pérovskite, les fabricants d'équipements de systèmes photovoltaïques, les unités de test et de certification, les unités de conception et de construction, etc., pour ouvrir tous aspects de la mise en œuvre du projet, pour créer un environnement d'application ouvert et inclusif.

(4) Construire un système standard pour la technologie photovoltaïque pérovskite en temps opportun et s'efforcer activement de maîtriser le droit de s'exprimer dans les normes internationales

Afin de garantir que la technologie de production et d'application des produits photovoltaïques en pérovskite est standardisée, systématique, évolutive et compatible avec le système de technologie d'application photovoltaïque existant, un système standard doit être établi simultanément dans le processus d'industrialisation du photovoltaïque en pérovskite. La construction du système standard photovoltaïque à pérovskite doit être basée sur le système standard de technologie photovoltaïque actuel, faire face aux exigences de l'application, refléter pleinement les caractéristiques de la production et de l'application des produits photovoltaïques à pérovskite et prendre en compte le développement et le changement continus du photovoltaïque à pérovskite. technologie. Selon la situation actuelle, tant la normalisation que la flexibilité doivent être prises en considération.

La mise en place de l'actuel système de normes internationales photovoltaïques remonte aux années 1980. l'industrie photovoltaïque au silicium cristallin de mon pays, en tant qu'étoile montante, s'est développée dans le cadre du système de normes internationales existant et n'a apporté que peu de contributions originales à la formulation de normes internationales. La participation aux organisations internationales de normalisation est relativement faible et le droit de parole est faible. Dans le domaine du photovoltaïque pérovskite, le niveau de recherche de mon pays est comparable à celui du monde, et les progrès et l'échelle de l'industrialisation ont un léger avantage. Par conséquent, nous devons saisir l'opportunité de soutenir activement le secteur photovoltaïque à pérovskite de mon pays, en particulier les experts techniques en première ligne de l'industrialisation.