Спрос на солнечную энергию стремительно растет. Ожидается появление солнечных элементов с более высокой эффективностью преобразования энергии и более низкой стоимостью, чем у основных элементов, таких как PERC, HJT и TOPCon. Перовскитные солнечные элементы стали новинкой для производителей фотоэлектрических элементов и инвесторов, которые продвигаю перовскитные солнечные элементы из лабораторий на рынок (особенно учитывая, что эта отрасль поддерживается правительствами, которые стремятся достичь амбициозных целей по снижению выбросов углерода).
Перовскитные солнечные элементы впервые были представлены Цутому Миясака в Японии в 2009 году с эффективностью преобразования энергии 3,8%, но "впали в спячку" почти на десять лет, поскольку эффективность энергопотребления является ключевым фактором для коммерческих солнечных элементов. Однако в последние годы в лаборатории фотовольтаики Университета науки и технологии имени короля Абдаллы (KAUST) эффективность преобразования энергии однопереходного перовскитного солнечного элемента достигла 25,5% в 2020 году и 33,2% для тандемного перовскит-кремниевого солнечного элемента в 2023 году, что все еще находится в пределах предела излучения, определенного теорией Шокли-Квайссера (SQ), т.е. перовскитные элементы чрезвычайно перспективны в качестве солнечных элементов третьего поколения, в то время как другие элементы достигают максимума своих пределов.
Плюсы и минусы перовскитов для солнечных батарей.
Перовскит относится к семейству соединений, а не к конкретному химическому элементу, такому как кремний или кальций, и назван так за структурное сходство с минералом перовскитом в честь Л.А. Перовского, русского минералога. Перовскитные материалы "хорошо работают" с несовершенствами и примесями, потому что они допускают дефекты в кристаллографической структуре, тогда как кремниевые материалы требуют чрезвычайно высокой чистоты для хорошей работы в электронных устройствах.
А когда перовскиты используются для солнечных батарей, их универсальные оптоэлектронные свойства и уникальная структура позволяют преобразовывать фотоны света, получаемые от солнца, в электричество гораздо эффективнее, чем в элементах, использующих кремниевые материалы. Тонкая пленка перовскита может быть нанесена на гибкие подложки, что открывает возможности для создания модулей или панелей различной формы. Кроме того, перовскитные ячейки легче изготовить в лаборатории, чем кремниевые, так как химические компоненты перовскита легко собираются.
Однако перовскит и разрушается гораздо быстрее, чем кремний, который может более 25 лет работать с сохранением не менее 90% вырабатываемой мощности. Недолговечность перовскитных материалов не позволила наладить их коммерческое производство в последнее десятилетие.
Китайские производители фотоэлектрических элементов и инвесторы заинтересованы в перовските.
Поскольку перовскиты показывают большие перспективы, а оборудование и технологии уже находятся на более высоком уровне, то в последние годы несколько компаний начали коммерческое производство этих элементов, а китайские инвесторы обратили внимание на их коммерциализацию в 2020 году благодаря фантастическим свойствам перовскитов, включая высокие коэффициенты поглощения, перестраиваемость зазора, отличную подвижность носителей заряда и технологичность решения.
Некоторые крупные производители фотоэлектрических систем в Китае запустили пилотные линии по производству перовскитных ячеек в 2020-2021 гг., получив инвестиции от компаний Three Gorges Capital Holdings, Cathay Capital, Hillhouse Capital Group, Tencent, Gountry Garden и т.д., что способствует дальнейшей оптимизации производства перовскитных ячеек в области материалов, оборудования и процессов.
С тех пор индустриализация перовскитных элементов в Китае значительно ускорилась. В 2022 году компания UtmoLight, подразделение компании SVOLT Energy Technology Co, Ltd., входящей в Great Wall Holdings, ввела в эксплуатацию линию по производству перовскитных элементов мощностью 150 МВт, а китайская высокотехнологичная компания Hanzhou Microquanta - производственную линию мощностью 100 МВт. уделяя особое внимание исследованиям и разработкам перовскитных солнечных элементов и модулей, в то время как многие пилотные производственные линии мощностью более 100 МВт были построены китайскими пионерами в области перовскита, включая GCL Perovskite, Hangzhou Zhongneng Photoelectricity Technology, Hubei Wonder Solar LLC., и в настоящее время планируется установка более крупных производственных линий.
Одним из ключевых факторов для китайских производителей солнечных элементов является низкая стоимость производства перовскитных элементов. Инвестиции, необходимые для производства 1 ГВт мощности кристаллического кремния, пластин, элементов и модулей, составляют от 900 миллионов до 1 миллиарда юаней. Согласно открытым данным Hanzhou Microquanta, GCL и Oxford PV, производителей перовскитных элементов в Китае и Германии, потребность в 1 ГВт перовскитовой продукции составляет около 500 млн. юаней, что вдвое меньше стоимости кремния. А 500 миллионов юаней - это 1/10 часть стоимости 1 ГВт тонкопленочных солнечных элементов второго поколения на основе GaAs.
Между тем, оборудование, необходимое для производства солнечных батарей, для перовскитных и кристаллических кремниевых элементов сильно отличается. Основные солнечные элементы из кристаллического кремния обрабатываются в четырех различных цехах - от кремниевых материалов до пластин, ячеек и модулей, и этот процесс занимает не менее трех дней. Однако основное оборудование для перовскитов может быть собрано в одну производственную линию, включая оборудование для PVD, лазерное оборудование, оборудование для ламинирования, очистки, сушки и различные виды автоматизированного оборудования, что позволяет перерабатывать стекло, клейкую пленку, мишени и химикаты в модули на одном заводе за 45 минут, что значительно сокращает процесс и снижает затраты.
Кроме того, более высокая эффективность преобразования энергии перовскитных ячеек по сравнению с кремниевыми также привлекает производителей. Теоретическая предельная эффективность монокристаллического кремниевого элемента составляет около 29%, что в настоящее время "находится в пределах досягаемости"; 26,4% было достигнуто компанией JinkoSolar с ее элементом 182 TOPCon, 26,56% - элементом р-типа HJT компании LONGi и 26,09% - элементом HJT без индия компании LONGi, 24% - для элементов IBC. По оценкам, эффективность преобразования энергии однопереходных перовскитных солнечных элементов достигает 31%, а эффективность тандемных солнечных элементов теоретически может превысить 45%.
Линии по производству перовскитных элементов мощностью более 100 МВт в Китае.
Компания UtmoLight завершила строительство распределенных солнечных систем с использованием своих перовскитных элементов в пилотном проекте ограждения озера Taihu Lake PV в городе Уси и двух проектах навесов для автомобилей на крыше в Шанхае, Китай. По словам UtmoLight, перовскитные продукты подходят для различного применения и, как ожидается, будут использоваться в BIPV, распределенных фотоэлектрических системах во всех типах фотоэлектрических проектов. Более того, 12 апреля 2023 года UtmoLight запустила базу по производству перовскита, включая первую производственную линию перовскитных элементов мощностью 1 ГВт, которую планирует завершить в 2024 году.
GCL Perovskite, дочерняя компания GCL Group, ведущего производителя фотоэлектрических элементов, 17 апреля 2023 года объявила, что эффективность преобразования энергии ее большого перовскитного модуля размером 2 м х 1 м достигла 16,02% и будет увеличена до 18% в течение 2023 года, и что производственная линия по выпуску перовскитных элементов мощностью 1 ГВт будет запущена в 2024 году.
В мае 2022 года компания Hanzhou Microquanta официально поставила 5 000 перовскитных α-модулей. С тех пор был завершен ряд демонстрационных проектов с использованием ее перовскитных α-модулей, включая распределенные фотоэлектрические системы на крышах, наземные распределенные фотоэлектрические системы и фотоэлектрические проекты для транспортных систем.
Renshine Solar, китайская компания, которая в настоящее время эксплуатирует линию по производству перовскитных элементов мощностью 10 МВт и в январе 2023 года объявила об устойчивой эффективности преобразования энергии в 29,0% для полностью перовскитных тандемных солнечных элементов, которая, как ожидается, превысит 30% в течение 2023 года, также заявила, что она завершит строительство линии по производству перовскитных элементов мощностью 150 МВт в 3 квартале 2023 года и начнет массовое производство модуля размером 1,2 м х 0,6 м к концу 4 квартала 2023 года. В 2024 году компания усовершенствует проект до 150 МВт многослойной перовскитовой продукции и перейдет на линию по производству перовскита в масштабе ГВт.
Перспективы производства перовскита в Китае.
По данным некоторых китайских промышленных исследовательских институтов, доля рынка перовскитных элементов в Китае составляла в 2022 году менее 1%, и ожидается, что к 2030 году она вырастет до 30%. Масштабы расширения экспериментальных линий по производству перовскитных элементов могут достичь 1000-1200 МВт в Китае в 2023 году, увеличившись почти втрое по сравнению с 350 МВт в 2022 году. Ожидается, что в 2026 году общая производственная мощность перовскитных элементов в Китае превысит 25 ГВт, а объем производства перовскитовых элементов и оборудования превысит 40 млрд. юаней и 10 млрд. юаней, соответственно, в 2026 году. По самым оптимистичным прогнозам рыночная стоимость оборудования для перовскитных ячеек в Китае достигнет 83,6 млрд. юаней к 2030 году.
Производственные мощности в Китае впечатляют, опередит ли коммерциализация производства перовскита в масштабах ГВт?
Некоторые китайские эксперты считают, что "здоровая отрасль должна следовать закону собственного развития, в соответствии с техническим совершенствованием и спросом со стороны потребителей", а не расширяться без достаточной поддержки в виде опыта или технологий, поэтому "не нужно опережать график". Между тем, для производителей перовскитных фотоэлектрических продуктов крайне важно оптимизировать пилотные линии до 100 МВт в течение 2-3 лет, так как опыт и модернизированное оборудование важны для будущего строительства перовскитных производственных линий в масштабе ГВт.