Was ist eine Perowskit-Zelle?
Perowskit-Solarzellen (PSCs) sind neuartige Dünnschichtsolarzellen, die Perowskit-Materialien als lichtabsorbierende Schichten nutzen. Der Name Perowskit leitet sich vom russischen Mineralogen Perowski ab; Kristalle mit der Struktur ABX₃ und ähnlichen Strukturen werden zusammenfassend als Perowskite bezeichnet. Perowskit-Solarzellen, kurz Perowskit-Solarzellen, verwenden organische Metallhalogenid-Halbleiter vom Perowskit-Typ als lichtabsorbierende Materialien.
Perowskit bezeichnet nicht speziell eine bestimmte Verbindung, die Calcium und Titan enthält, sondern ist ein Oberbegriff für eine Klasse kristalliner Materialien mit einer ABX3-Struktur, und es gibt viele verschiedene Arten von Materialien zur Auswahl.
Die Struktur einer Perowskit-Solarzelle besteht im Wesentlichen aus folgenden Schlüsselkomponenten: einem transparenten, leitfähigen Substrat, einer Elektronentransportschicht, einer lichtabsorbierenden Perowskitschicht, einer Lochtransportschicht und einer Metallelektrode. Diese Komponenten arbeiten zusammen, damit Perowskit-Solarzellen Sonnenlicht effektiv absorbieren und in elektrische Energie umwandeln können.
Transparentes leitfähiges Substrat:Dies ist die Grundlage von Perowskit-Solarzellen. Sie besteht üblicherweise aus Materialien wie fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO) oder indium-dotiertem Zinnoxid (ITO), die eine hohe Lichtdurchlässigkeit und gute Leitfähigkeit aufweisen. Ihre Hauptfunktion ist die Einkopplung von Sonnenlicht und die Sammlung des erzeugten Stroms. Die Wahl des transparenten, leitfähigen Substrats ist entscheidend für die Leistung von Perowskit-Solarzellen, da sie nicht nur den Lichteinfall, sondern auch die Stromauskopplung beeinflusst.
Elektronentransportschicht: Sie befindet sich zwischen dem transparenten leitfähigen Substrat und der Perowskit-Lichtabsorptionsschicht und dient hauptsächlich dem Elektronentransport. Gängige Materialien für Elektronentransportschichten sind beispielsweise Titandioxid (TiO₂) und Zinkoxid (ZnO). Diese Materialien weisen eine hohe Elektronenmobilität und -stabilität auf und können die in der Perowskit-Lichtabsorptionsschicht erzeugten Elektronen zum transparenten leitfähigen Substrat transportieren.
Perowskit-Lichtabsorptionsschicht:Dies ist der Kern der Perowskit-Solarzelle und besteht hauptsächlich aus organischen Halogenid-Perowskitmaterialien mit ABX₃-Struktur. Diese Materialien weisen eine hervorragende photoelektrische Umwandlungsleistung auf und können die Energie des Sonnenlichts effizient in elektrische Energie umwandeln. Der Herstellungsprozess und die Eigenschaften der Perowskit-Lichtabsorptionsschicht haben einen entscheidenden Einfluss auf die Gesamtleistung von Perowskit-Solarzellen.
Lochtransportschicht:Die zwischen der Perowskit-Lichtabsorptionsschicht und der Metallelektrode befindliche Lochtransportschicht dient hauptsächlich dem Transport von Löchern. Gängige Materialien für Lochtransportschichten sind beispielsweise Spiro-OMeTAD. Diese Materialien können photogenerierte Löcher effektiv extrahieren und transportieren und so den photoelektrischen Wirkungsgrad der Zelle verbessern.
Metallelektrode: Dies ist der letzte Prozessschritt bei Perowskit-Solarzellen und dient hauptsächlich dem Ladungstransport und der Anbindung externer Schaltkreise. Üblicherweise wird dabei eine Schicht aus Gold, Silber oder Aluminium auf die Außenseite der Lochtransportschicht aufgedampft, um die Leitfähigkeit der Elektrode zu verbessern.
Die strukturelle Klassifizierung von Perowskit-Solarzellen ist vielfältig, und jede Struktur hat ihre einzigartigen Merkmale und Anwendungsszenarien, üblicherweise werden formale mesoporöse Strukturen, formale planare Strukturen und transplanare Strukturen unterschieden.
Entwicklungsstadium von Perowskitzellen
Die Entwicklungsgeschichte der HJT-Zellen lässt sich in vier Phasen unterteilen: die Phase des Technologieprototyps, die Phase der Technologieakkumulation, die Phase der rasanten Entwicklung und die Phase des Ausbruchs.
Vorteile von Perowskitzellen
Im Vergleich zu kristallinem Silizium weist Perowskit drei wesentliche Vorteile auf, nämlich hohe photoelektrische Umwandlungseffizienz, reichlich vorhandene Rohstoffe und einfache Synthese, kurzer Produktionsprozess und vielfältige Anwendungsszenarien.
Hoher photoelektrischer Umwandlungswirkungsgrad
Daten zeigen, dass der theoretische Wirkungsgrad von einkristallinen Siliziumzellen bei etwa 29 % liegt, während der theoretische Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen mit einem pn-Übergang 31 % erreichen kann. Perowskit-Stapelzellen, einschließlich Doppelzellen aus kristallinem Silizium und Perowskit, erreichen einen Wirkungsgrad von 35 %, und der theoretische Wirkungsgrad von Perowskit-Dreifachzellen liegt bei über 45 %. Daher gelten sie in der Industrie als die nächste Generation von Standard-Solarzellen. Photovoltaik-Techniknologie.
Reichhaltige Materialien und einfach zu synthetisieren
Der Grundrohstoff für kristalline Siliziumzellen ist polykristallines Silizium, dessen Reinigung sehr energieintensiv ist. Perowskitzellen hingegen benötigen kein Silizium. Die für die Herstellung von Metallhalogenid-Perowskiten benötigten Rohstoffe sind reichlich vorhanden und kostengünstig. Die Herstellung der Vorläuferflüssigkeit ist unkompliziert und erfordert keine hohen Reinheitsanforderungen. Die nachfolgenden Komponenten benötigen keine anspruchsvollen Umgebungsbedingungen. Die Herstellung der Komponenten erfordert nicht die für kristalline Siliziumzellen notwendige Verarbeitungstemperatur von ca. 1000 °C. Der Energieverbrauch im Produktionsprozess ist relativ gering, und die meisten Schritte benötigen keine Vakuumumgebung. Derzeit macht das Elektrodenmaterial mit 37 % den größten Kostenanteil der Perowskitkomponenten aus, während die Kosten der Perowskitmaterialien selbst nur 5 % betragen. Perowskitkomponenten bieten daher zukünftig noch erhebliches Kostensenkungspotenzial.
Kurzer Produktionsprozess
Kristalline Siliziumzellen erfordern in der Regel vier Produktions- und Fertigungsstufen: Siliziummaterialien, Siliziumwafer, Zellen und Komponenten. Dieser Prozess dauert mindestens drei Tage. Die Herstellung von Titan-Erzzellen hingegen ist deutlich einfacher. Glas, Folie, Targetmaterialien und chemische Rohstoffe können innerhalb von 45 Minuten in einer einzigen Fabrik zu Komponenten verarbeitet werden. Die industrielle Wertschöpfungskette wird dadurch erheblich verkürzt und die Wertschöpfung konzentriert.
Umfangreiche Anwendungsszenarien
Perowskit zeichnet sich durch geringes Gewicht, Flexibilität und hohe Lichtbeständigkeit aus und bietet ein breites Anwendungsspektrum. Dazu gehören Photovoltaikgebäude, Fassaden zur Stromerzeugung, Photovoltaikanlagen auf Dächern, mobile Geräte und Elektronikprodukte, vernetzte Sensoren usw. Mit dem technologischen Fortschritt eröffnen sich immer neue, vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für Perowskit.
Perowskit-Zellenprozess
Die Herstellung der lichtabsorbierenden Schicht von Perowskit-Solarzellen entspricht im Allgemeinen der Herstellung von Dünnschicht-Photovoltaikzellen, beispielsweise von Silizium- und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid-Dünnschichten, und wird in zwei Kategorien unterteilt: Nass- und Trockenverfahren. Zu den Nassverfahren zählen Schlitzbeschichtung und Siebdruck.
Üblicherweise führen Perowskit-Zellenhersteller im Laborstadium erste Demonstrationen verschiedener technischer Verfahren durch. Beim Übergang zu einer großtechnischen 100-MW-Pilotproduktionslinie setzen die meisten Unternehmen derzeit auf Nassverfahren zur Herstellung von Perowskitkomponenten, während einige wenige Trockenverfahren oder zweistufige Verfahren mit Beschichtung und anschließender Aufdampfung wählen.
Neben der Lichtabsorptionsschicht umfasst die Kernschicht einer Perowskit-Einzelzellenzelle auch eine Elektronentransportschicht und eine Lochtransportschicht. Die Abscheidungstechnologien für diese Schichten sind relativ ähnlich und umfassen im Wesentlichen PVD (einschließlich Magnetron-Sputtern und -Aufdampfen), reaktive Plasmaabscheidung (RPD) und Schlitzbeschichtung. Die gängigsten Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Kernschichten in der Industrie sind derzeit PVD→Schlitzbeschichtung (Siebdruck)→RPD (PVD), PVD→PVD (Aufdampfen)→RPD (PVD) und PVD→Schlitzbeschichtung + PVD (Aufdampfen)→RPD (PVD). Die verschiedenen Verfahren weisen Vor- und Nachteile auf, und ein einheitliches Verfahren hat sich noch nicht etabliert.
Beschichtungsverfahren für Perowskitzellen – Gesamtprozessablauf
Der Produktionsprozess der Perowskit-Solarzellen mittels Beschichtungsverfahren gliedert sich in die Zellvorbereitung (Frontend) und die Komponentenverpackung (Backend) und umfasst insgesamt über 30 Schritte. Der Frontend-Prozess beinhaltet im Wesentlichen die Herstellung der Frontelektrode, das Laserstrukturieren, die Perowskit-Lichtabsorptionsschicht, die Elektronen- und Lochleitung sowie die Herstellung der Rückelektrode. Die Perowskit-Lichtabsorptionsschicht ist dabei der kritischste Schritt. Der Backend-Prozess umfasst im Wesentlichen die Laminierung mit Klebeband, die Beschichtung mit Butylkleber, die Laminierung und das Verschweißen der Anschlussdose sowie weitere Testverfahren.
Perowskit-Zellen-Unternehmenslayout
Die Perowskit-Zelltechnologie steht kurz vor der kommerziellen Massenproduktion. Zahlreiche spezialisierte Unternehmen in Forschung, Entwicklung und Fertigung von Perowskit-Zellen, wie beispielsweise GCL Optoelectronics, Xianna Optoelectronics, Jidian Optoelectronics, Wandu Optoelectronics und Renshuo Optoelectronics, treiben die Massenproduktion dieser Technologie aktiv voran. Auch die Hersteller von kristallinen Siliziumzellen fördern die Forschung und Entwicklung von Perowskit- und kristallinen Silizium-Doppelzellen.
Zukünftiger Entwicklungstrend von Perowskit Zelle
Aktuell geht die Branche allgemein davon aus, dass die aus Perowskit und kristallinem Silizium bestehende gestapelte Solarzelle eine wichtige Zukunftstechnologie darstellt. Daher blickt die Branche optimistisch auf die Entwicklung der Perowskitzelle, die auch bei Photovoltaikunternehmen und Investoren hohes Interesse zeigt. Die Branche erwartet, dass die Produktionskapazität von Perowskitzellen im Jahr 2030 461 GW erreichen wird.
Laut unvollständigen Statistiken haben Unternehmen wie Pulse Energy, Zhongneng Photovoltaic Storage, Heijing Optoelectronics, Renshuo Photovoltaic und Jidian Photovoltaic seit 2023 insgesamt 15 Finanzierungsrunden abgeschlossen. Die Finanzierungssummen reichen von mehreren zehn Millionen bis zu mehreren hundert Millionen.
Der größte Vorteil der Perowskit-Zelltechnologie liegt in ihrem Zukunftspotenzial, das ihr einen potenziellen Investitionswert verleiht und sie daher auch bei großen Kapitalgesellschaften und Investmentbanken hoch im Kurs stehen lässt.