Comment accélérer les cellules solaires de la pérovskite pour commercialiser

Quand Fabricant solaire britanniqueOxford PV expédié le premier ordre commercial de cellules solaires de pérovskite-silicium en septembre dernier, elle a été présentée comme un percée dans le industrie. La nouvelle a marqué une étape importante dans un effort mondial de 15 ans pour développer ce matériau léger et polyvalent qui pourrait surpasser les cellules solaires de silicium traditionnelles. Mais le manque de expéditions de suivi depuis lors servird en tant que rappel tchapeau ce technologie WasnT Assez prêt pour la messe commercialisation.

Le Problème principal: Cen ligne retards en obtenant pérovskites au marché solaire les a fait moins de coûts–compétitif avec leur établissementprédécesseur: cellules solaires en silicium Dans le temps, il a fallu au secteur pour passer du premier article sur les cellules solaires à base de pérovskite en 2009 à la première expédition commerciale en 2024, le coût de la fabrication cellules solaires en siliciumPlume de 2,11 $ US par watt à aussi bas que 0,20 $ par watt. Ces prix étaient entraîné vers le bas en grande partie parAugmentation de la production tout au long Asie du Sud-Est.

Maintenant, les tarifs américains sont élevés sur les importations solaires en silicium de ces pays pourrait donner aux fabricants de pérovskite un Edge concurrentiel. Le NOUS Département du commerce le 21 avril annoncé une déciale décidesion à prélevertarif aussi haut que sur 3 400% sur solaire les entreprises MalaisieCambodge, Thaïlande et le Vietnam. La décision est le résultat d’un à long terme antidumping et contrepartie enquête qui a trouvé que les entreprises Chinetentative à by-pass précédent Les prélèvements en déplaçant la fabrication dans ces quatre pays.jefconfirmé par une autre agence américaine en juin, les prélèvements seraitAjouter àautre U.S. importationxes Déjà en place sur composants solaires de région.

Mais le antiditumping-ping tarifs enfilerT demander à photovoltaïque à couches minces comme les pérovskites.Ce pourrait être une aubaine pour ceux développeurs solairesbut ils’concernant va devoir se déplacer rapidement. Plus il faut longtemps pour obtenir perrovskites à commercialiser, plus Le paysage pourrait changer. Et pourtant, certains chercheurs dans ce domaine continuent de se concentrer sur la rupture des enregistrements de l’efficacité de la conversion de puissance, certains types de cellules de pérovskite atteignant 27%. Ces réalisations pourraient conduire à des documents en Impac élevét journalLS, BUtah faire liTtle pour faire sortir les pérovskites.

De nombreux chercheurs disent c’est Il est temps de cesser de viser des gains d’efficacité incrémentiels et de se concentrer plutôt sur la mise à l’échelle de la fabrication et l’amélioration de la durée de vie des cellules. Cela impliquerait de développer des techniques de fabrication qui établissent un équilibre entre des appareils de haute qualité et de faibles coûts de production.

Ce ne le fera pas être facile. La réduction des coûts de traitement tout en augmentant la durée de vie des cellules et en maintenant une efficacité raisonnablement élevée nécessitera beaucoup de recherches et d’efforts. Mais si les chercheurs universitaires et industriels s’unissent, ce défi manufacturier pourrait être résolu plus rapidement qu’on ne le pense.

Les cellules solaires de la pérovskite sont composées d’ions organiques, de métaux et d’halogènes qui forment une structure cristalline spéciale qui les rend très polyvalents. Avec la bonne composition, les pérovskites pourraient être meilleurs que le silicium pour convertir la lumière du soleil en électricité: ils ont une limite d’efficacité théorique de 34%, contre 32% du silicium. Ils peuvent y parvenir avec une couche de matériau beaucoup plus mince, ce qui leur permet d’être utilisé de manière innovante telle que les cellules solaires flexibles, incurvé panneaux solaires. photovoltaïqueet fenêtres solaires.

Développeur de pérovskite en tandem PV dit que les couches de pérovskite produites avec des processus basés sur des solutions n’ont pas à être fabriqués dans des conditions complètement inertes. PV en tandem

Les pérovskites peuvent également être empilés au-dessus de la photovoltaïque du silicium pour améliorer les performances. L’efficacité record actuelle de la pérovskite-silicon cellules solaires en tandem se dresser 34,6%une amélioration impressionnante de 7% par rapport aux meilleures cellules de silicium.

Mais la fabrication de pérovskites de haute qualité à faible coût s’est révélée difficile. L’exposition à l’air et à l’humidité pendant le traitement peut entraver les performances initiales et entraîner une dégradation au fil du temps. Cela a forcé les chercheurs à les assembler dans des environnements hautement contrôlés.

Dans ces environnements contrôlés, il existe deux façons de fabriquer des cellules solaires de pérovskite. L’itinéraire le plus cher –dépôt de vapeur—Involve évaporant ou vaporisant les matériaux de pérovskite dans des conditions sous vide, puis les déposant en tant que film mince. Cela fait des films de très haute qualité avec peu de défauts et une efficacité fiable. Mais les coûts de configuration de cette méthode sont élevés, et une maintenance rigoureuse et un contrôle environnemental élevé sont requis.

La méthode plus simple et moins chère implique de déposer des couches de pérovskite en utilisant impression à jet d’encre ou revêtement par pulvérisation. Dans ces approches basées sur une solution, les matériaux de pérovskite sont dissous dans une solution précurseur ou «encre» et directement appliquée à la surface ou au substrat souhaité. La simplicité de cette technique a permis aux chercheurs d’améliorer rapidement les pérovskites au cours de la dernière décennie. Cependant, ces techniques permettent de se produire beaucoup de place pour la contamination et les défauts.

Avec l’une ou l’autre route, pour produire les cellules les plus performantes, la fabrication se produit généralement dans un environnement contrôlé tel qu’une boîte à gants de laboratoire. Cet équipement pompe l’oxygène et l’humidité, le remplaçant par un gaz non réactif comme l’azote. Cependant, l’augmentation de la quantité de contrôle environnemental peut augmenter les coûts.

Certaines boîtes à gants peuvent faire passer les niveaux d’oxygène et d’humidité internes à moins de 1 partie par million (PPM). Mais l’installation et entretien Ces systèmes sont chers. Ce niveau de contrôle environnemental nécessite une boucle complexe de filtres et de systèmes de ventilateurs pour extraire de l’air contaminé, la purifie, puis la recircule dans le système. Ces filtres et systèmes de contrôle nécessitent un entretien et un remplacement réguliers, qui augmenter Coûts de maintenance. Les capteurs PPM peuvent à eux seuls coûter des milliers de dollars.

Ces coûts de maintenance évolueront toujours avec le volume. Plus l’environnement est grand, plus il doit être filtré d’air, et plus il est difficile de maintenir Contrôle environnemental strict. Ce nécessite des ventilateurs plus puissants, des filtres plus grands et si ces systèmes sont exposés atmosphèrecela coûtera plus de temps et d’argent pour les faire fonctionner à nouveau.

Méthodes de fabrication de pérovskite innovantes

Ces défis ont conduit les développeurs solaires à expérimenter différentes méthodes de fabrication pour les appareils de pérovskite, en particulier à plus grande échelle. Par exemple, Rouleau de puissance à Durham, en Angleterre, qui développe des modules solaires flexibles, prend actuellement un Approche basée sur la solution tout en évaluant simultanément d’autres méthodes. «Nous collaborons continuellement avec des partenaires industriels et universitaires pour rester à la pointe des techniques de fabrication. Colline de Nathanun scientifique principal à Power Roll.

Oxford PV, basé à Oxford, en Angleterre, n’a pasdivulgué Comment il a fabriqué les modules en tandem Perovskite-Silicion dans sa première expédition commerciale. Dans un Entretien 2018Le cofondateur d’Oxford, Henry Snaith, a laissé entendre que son entreprise pourrait emprunter la voie de vapeur lorsqu’il a dit que «les cellules déposées par la vapeur avanceraient () plus rapidement que les cellules traitées par la solution».

La technique de revêtement de spin dépose des couches de pérovskite en utilisant la force centripète pour répandre uniformément les matières à travers un substrat. Effectuer ce processus à l’intérieur d’une boîte à gants, où l’oxygène et l’humidité sont contrôlés, aide à améliorer les performances. Ossila

Traitement complètement inerte – à très bas ppm—non Idéal pour la production à grande échelle, de nombreux fabricants disent. Donc Ils explorent des approches innovantes pour simplifier la fabrication. «Alors que nous reconnaissons que le traitement dans des conditions inertes peut être bénéfique pour la production à l’échelle du labor croissance,et ont eu des résultats prometteurs travaillant en dehors des environnements inertes,«  dit la colline à Pouvoir Rouler. Un autre innovateur de Perovskite, PV en tandem dans San JoseCalifornie, traite ses couches de pérovskite à partir de solutions en dehors des conditions inertes, selon un porte-parole de la société.

Alors que les fabricants continuent d’expérimenter, les chercheurs devraient également réévaluer leurs objectifs pour les cellules solaires de la pérovskite. En règle générale, plus l’environnement est inerte, plus effectuer la cellule solaire. Mais la performance de ces cellules – et comment se font inerte ces environnements – vraiment devoir être? Existe-t-il un terrain d’entente où les environnements sont partiellement contrôlés, et les pérovskites résultants sont encore de haute qualité?

Mes collègues et moi àOssila avoir démontré que les pérovskites en halide mixte triple-cation, qui sont relativement robustepeut être fabriqué de manière fiable dans un boîte à gants que maintient Seulement 15 ppm d’humidité et 0,5% de niveaux d’oxygène (5000 ppm). Ces cellules solaires ont obtenu des efficacités comparables à celles fabriquées dans des boîtes à gants haut de gamme (19,2% contre 19,7%, respectivement). Les appareils approchant de 19% sont dans le domaine de la concurrence avec la technologie solaire en silicium (qui réaliser largement 13-23% d’efficacité, selon le type de cellule solaire). Parce que les pérovskites sont mieux utilisés dans des situations où le silicium ne peut pas être utilisé, ou en conjonction avec des appareils en silicium, nous pensons que c’est un résultat impressionnant.

Nous avons également constaté que lorsque les mêmes pérovskites (halogénures mixtes à triple cation) sont traités dans l’air ambiant avec une approche basée sur une solution, les appareils ont toujours bien fonctionné. Les meilleurs résultats, qui ont atteint 17,6%, indiquer Il y a de l’espoir pour de bonnes cellules solaires de pérovskite traitées à l’air.

Les tarifs sur le silicium solaire pourraient rendre les perovskites plus compétitifs

De nombreux chercheurs universitaires expérimentent également la création de cellules solaires de pérovskite en dehors des environnements de boîtes à gants. Une étude récentedans Nature Communications a décrit une pérovskite de rouleau à rouleau transformé en solution fabriquée entièrement dans l’air ambiant. (Le traitement roul à roll implique une fabrication à grande vitesse qui peut déposer en continu des solutions sur des matériaux flexibles sur les rouleaux en mouvement. C’est comme l’impression de journaux, mais pour les cellules solaires.)

Les chercheurs de l’Australie National Science Agency, Cisro, ont démontré l’année dernière la première fabrication entièrement fabriquée entièrement cellule solaire de pérovskite Dans des conditions de pièce ambiante. Csiro

Les dispositifs résultants atteignent une efficacité de 15,5% pour les cellules individuelles et 11% pour les modules mini-solaires. Qu’est-ce que De plus, les coûts de production estimés sont aussi bas que 0,70 $ par watt et ont encore d’autres espaces pour les réductions des coûts.

Pour déplacer le domaine dans une commercialisation complète, c’est Critique qui se concentre davantage sur les méthodes de traitement évolutives plutôt que sur la poursuite de l’efficacité de plus en plus élevée. Le monde universitaire et l’industrie doivent aligner leurs objectifs d’augmentation de la stabilité et de l’évolutivité.

La commercialisation des cellules solaires de pérovskite est à portée de main. Et eLes conditions commerciales internationales pourraient donner de la pérovskite cellule solairesun avantage concurrentiel. Mais pour y parvenir, c’est extrêmement important pour identifier Toutes les étapes inutiles impliquées dans les fabriquer. Avec une production à faible coût et à l’échelle mondiale, et fabrication flexible opinionortunitjeesles appareils Perovskite pourraient offrir un chemin prometteur pour Fabrication dans le monde entier, renforcement le dans l’ensemble fourniture mondiale de photovoltaïque.