Introducción a la célula solar de perovskita y sus ventajas e inconvenientes
Las células solares pueden absorber la energía solar y convertirla directamente en energía eléctrica, mientras que batería powerwall pueden almacenar la energía eléctrica de los paneles solares. Para más información, consulte los 10 principales fabricantes de powerwall para el almacenamiento de energía en el hogar.
En la actualidad, existen tres tipos principales de células solares: La primera generación de células solares (células de silicio monocristalino, células de silicio policristalino), la segunda generación de células de película fina (células de película fina de silicio amorfo, células de película fina de CIGS) Y la tercera generación son las baterías de nuevo concepto (como las baterías de perovskita, las baterías concentradoras, las baterías sensibilizadas por colorante, las baterías de puntos cuánticos y las baterías de polímero).
A célula solar de perovskita (PSC) es una célula solar que utiliza una estructura de perovskita de estado sólido como material absorbente de luz (y no utiliza perovskita-CaTiO3).
Estructura y principio de funcionamiento de la célula solar de perovskita
La estructura de la PSC se compone generalmente de cinco partes de arriba a abajo: fotoánodo (vidrio conductor FTO/ITO), capa de transporte de electrones (ETL), capa fotoactiva de perovskita, capa de transporte de huecos (HTL) y electrodos metálicos posteriores (Au, Ag , Al). La PSC es una batería de película fina, que en la actualidad se deposita principalmente sobre vidrio. Al mismo tiempo, se pueden conseguir diferentes grados de transparencia controlando el grosor y el material de cada capa de materiales y, por supuesto, también se reducirá la eficiencia.
Estructura y principio de funcionamiento de la célula solar de perovskita
Principio de funcionamiento de las células solares de perovskita: después de que la luz solar irradie la capa absorbente de luz (capa de perovskita), se absorben los fotones con una energía superior a la anchura de banda prohibida, la energía del fotón excita los electrones que inicialmente estaban ligados alrededor del núcleo, produciendo excitones (pares electrón-hueco).
Debido a la pequeña energía de enlace de los excitones de los materiales de perovskita, pueden separarse en portadores libres (electrones y huecos) a temperatura ambiente. Una vez que los excitones se separan en electrones y huecos, los huecos entran en el material de transporte de huecos (HTM) desde el material de perovskita, los electrones entran en el material de transporte de electrones (ETM) desde el material de perovskita y fluyen hacia el cátodo y el ánodo de la batería, respectivamente.
Principales ventajas de la célula solar de perovskita
Bajo coste de fabricación
La mayor ventaja de la célula solar de perovskita es su bajo coste (tanto de material como de producción), y el coste por pie cuadrado (0,09 metros cuadrados) es de aproximadamente $0,25, lo que supone una décima parte del de las células de silicio. En primer lugar, las materias primas básicas de las células de perovskita son abundantes y fáciles de obtener (no hay materiales raros), el suministro no es limitado y el precio es inferior al de las materias primas de silicio cristalino.
En segundo lugar, la película de perovskita tiene un alto coeficiente de absorción de luz, que es alrededor de 100 veces mayor que la de los materiales tradicionales de células solares, por lo que su capa de película celular puede ser adelgazado (en teoría, sólo 1/100 del espesor se puede utilizar para producir el mismo espesor que el silicio cristalino) la producción de energía), reducir significativamente la cantidad de materiales de la batería (espesor de la película de perovskita es por lo general sólo 0,3 ~ 0,5μm, el espesor de silicio cristalino es por lo general 160 ~ 180μm.
Según las estadísticas, la generación de energía de 35 kg de perovskita es la misma que la de 7 toneladas de silicio, por lo que el uso de materiales de perovskita se reduce cien veces). Por último, su proceso de fabricación puede utilizar tecnología de proceso de bajo coste que no requiere costosos equipos de vacío, y el coste de fabricación tiene ventajas evidentes sobre las baterías de silicio cristalino.
Alta eficiencia de conversión fotoeléctrica
La capa de absorción de luz de la célula solar de perovskita tiene una brecha de banda más ancha que el silicio cristalino y puede absorber luz visible de longitud de onda corta. Es decir, la energía fotónica absorbida es mayor (E=hc/λ, a menor longitud de onda, mayor energía), lo que significa una mayor tasa de conversión fotoeléctrica.
Al mismo tiempo, la célula solar de perovskita tiene una alta movilidad de portadores de carga y un buen rendimiento de difusión de la luz, y sus longitudes de difusión de electrones y huecos pueden superar los 1000nm.
Las excelentes propiedades de transporte de portadores foto-generados hacen que la pérdida de energía durante la conversión fotoeléctrica sea extremadamente baja.
Además, la perovskita también puede ajustar la brecha de banda cambiando el material de la capa de la película de perovskita, de modo que la eficiencia de conversión fotoeléctrica de la pila puede alcanzar el máximo;
Es posible aumentar la brecha de banda y mejorar la eficiencia de conversión apilando diferentes capas de película de perovskita, o apilando células de perovskita y silicio cristalino.
Bajos requisitos de calidad de las materias primas
La preparación de la célula solar de perovskita tiene pocos requisitos de pureza de las materias primas y no es sensible a las impurezas. Se puede producir una célula con una pureza de unos 90% con una eficiencia superior a 20%, mientras que la célula de silicio cristalino requiere una pureza del material superior a 99,9999%.
Proceso de fabricación sencillo y bajo consumo energético
El proceso de fabricación de la célula solar de perovskita es sencillo, puede prepararse en solución, y la temperatura de proceso es baja, de unos 100 °C, mientras que la temperatura máxima de proceso necesaria para la preparación de células de silicio cristalino supera los 600 °C, y la temperatura de proceso necesaria para la preparación de otras células de película fina es también de unos 250 °C .
El bajo consumo energético del proceso de fabricación de células solares de perovskita es otra ventaja significativa. El consumo de energía por vatio de los módulos monocristalinos es de unos 1,52KWh, mientras que el de los módulos de perovskita es de 0,12KWh, y el consumo de energía por vatio es sólo 1/10 del del silicio cristalino.
Se pueden preparar componentes flexibles transparentes
La batería de perovskita puede preparar componentes de batería flexibles translúcidos utilizando un sustrato flexible transparente (la perovskita es más fácil de formar una película sobre un sustrato flexible que el silicio) y adelgazando la capa de película de perovskita. Se utiliza en nuevos campos de aplicación no convencionales, como muros cortina de cristal, productos ponibles y productos portátiles.
La principal desventaja de la célula solar de perovskita
En la actualidad, los principales factores que limitan la comercialización a gran escala de las células solares de perovskita son:
Escasa estabilidad estructural
La inestabilidad de la célula solar de perovskita se debe principalmente a dos mecanismos: uno es la inestabilidad del propio material de perovskita y el otro está relacionado con la inestabilidad de la interfaz. Los materiales de las pilas de perovskita son extremadamente sensibles al agua, el calor y el oxígeno: los materiales orgánicos de transporte de huecos utilizados habitualmente se descomponen rápidamente cuando entran en contacto con el agua;
El TiO2 en la estructura comúnmente utilizada tiene propiedades fotocatalíticas, que pueden catalizar la reacción de descomposición de los materiales de perovskita bajo irradiación ultravioleta.
Por lo tanto, las células de perovskita convencionales tienen una vida útil muy corta en un entorno con alto contenido de agua y oxígeno. Aunque los cambios estructurales que se producen son reversibles, afectarán al rendimiento, especialmente la humedad es propensa a la degradación irreversible.
Además, la baja energía de formación de los iones de plomo (divalentes) en las células de perovskita es una de las principales razones de la formación de defectos en la superficie y los límites de grano de la perovskita, los iones de plomo (divalentes) no coordinados pueden inducir la recombinación de portadores fotogenerados, y su vía de migración de iones también es desfavorable para el rendimiento de la célula, lo que en última instancia conduce a la degradación de la eficiencia de conversión fotoeléctrica.
Hay dos formas principales de mejorar la estabilidad de las células de perovskita. Una es utilizar materiales compuestos de perovskita para mejorar su propia estabilidad; la otra es encontrar sustancias aditivas adecuadas para inhibir la descomposición de los materiales de perovskita.
En la actualidad, la forma viable de resolver rápidamente la estabilidad de la perovskita y lograr la producción comercial en masa es la pila de perovskita-silicio cristalino (la célula de silicio cristalino HJT y la perovskita se superponen mejor), al tiempo que mejora la eficiencia de conversión, también puede conectarse sin problemas con la industria existente.
Dificultad en la preparación de grandes superficies
En la actualidad, es difícil preparar células de perovskita de gran superficie y alto rendimiento. Es difícil alcanzar una eficiencia superior a 20% para una célula de unión simple de más de 1m², y la eficiencia de conversión disminuye mucho a medida que aumenta el área de la célula. Las razones de la dificultad de la preparación a gran escala: En primer lugar, es difícil producir un recubrimiento de perovskita grande, continuo y uniforme;
En segundo lugar, la película de TCO del fotoánodo tiene una pequeña resistencia a recoger corriente, y su resistividad se hará más evidente cuando la superficie sea mayor. Por ejemplo, una célula de perovskita de 6,25cm² tiene una eficiencia de 20,6%, pero cuando se combinan 35 células en un módulo de 412cm² (cerca del área de una célula de silicio cristalino de 12 pulgadas), la eficiencia cae a 12,6%. En la actualidad, el módulo de 1.241,16 cm² más grande del mundo producido por GCL Nano tiene una eficiencia de 15,31%.
Hay problemas medioambientales
La célula solar de perovskita es una tecnología emergente que puede acelerar la transición de la energía del futuro a la energía sostenible. Los materiales de las células solares de perovskita de alta eficiencia contienen básicamente plomo metálico tóxico (el plomo es una neurotoxina que se oxida y volatiliza fácilmente, además de ser soluble en agua. ), lo que supone un riesgo para el medio ambiente y la salud.
Sin embargo, según el análisis, una pequeña cantidad de fuga de plomo no tiene mucho impacto en la toxicidad medioambiental, y no es tan bueno como el impacto global del proceso de producción de células de silicio cristalino en el medio ambiente (el proceso de purificación del material de silicio produce gas residual HCl, SiCl4/HCl/HNO3/HF y otros líquidos residuales, y el gas residual de óxido de nitrógeno del proceso de fabricación de la batería y el líquido residual ácido-base con olor acre pueden provocar fácilmente que el nitrógeno total supere la norma). Los métodos actualmente disponibles para mitigar las posibles fugas de plomo son la encapsulación física y la absorción química, y la Universidad del Norte de Illinois ha desarrollado revestimientos orgánicos DMDP, un material que absorbe el plomo.
Conclusión
Como célula solar de tercera generación, la célula solar de perovskita tiene la velocidad de desarrollo más rápida. La eficiencia de conversión fotoeléctrica (PCE) ha aumentado de los 3,8% iniciales (preparada por la Universidad de Yokohama, Japón, en 2009) a 29,52% (preparada por Oxford Photovoltaic Company en 2021) en 12 años. Esto demuestra un gran potencial de comercialización.
En la actualidad, la eficiencia media de conversión de las células solares de silicio producidas en serie a nivel industrial es generalmente de 20% a 23%. Las mayores eficiencias de producción en serie de células convencionales son 26,3% para las células HJT de LONGi, 23,6% para las células PERC, y 25,4% para una de top 10 fabricantes de baterías solares Células TOPCon de JinkoSolar.
