Kan det mest spännande nya solcellsmaterialet leva upp till sin hype?

Perovskite lovar att vara billigare och mer effektivt än kisel - och flera företag säger att de är nära att producera det i stor skala.

Förbi

• Casey Crownhart arkivsida

29 juni 2021

Willow Technologies

Att testa perovskite-solceller i labbet krävde tidigare ett par anständiga löparskor. Materialen föll sönder så snabbt att forskare flyttade från där de tillverkade cellerna till där de testade dem, och försökte mäta deras prestanda innan cellerna försämrades i deras händer - vanligtvis inom ett par minuter.

Perovskites har länge förtrollat ​​forskare med löftet om att producera billiga, ultraeffektiva solceller. Och nu tar flera företag stora framsteg mot att producera kommersiella perovskitsolceller i stor skala.

Men materialens instabilitet har hotat att spåra ur deras väg till hustak och kraftverk. Även om ett fåtal företag säger att de har löst utmaningen, åtminstone tillräckligt bra för att få ut preliminära produkter på marknaden inom året, är vissa forskare fortfarande skeptiska.

Folk vill att jag ska säga 'Jag vet säkert att det här kommer att bli stabilt, och det kommer att bli effektivt och vi kommer att erövra världen', säger Joseph Berry , som leder perovskiteforskningsprogrammet vid US National Renewable Energy Laboratory. Och en del av mig tror det, men en del av mig som vetenskapsman säger: 'Jag har inte data.'

Njuter av solen

Perovskiter är syntetiska material, billiga och relativt enkla att tillverka även i stora mängder. Vanliga perovskiter som används i solceller är vanligtvis något som metylammoniumblyhalogenid, men perovskitfamiljen inkluderar tusentals material som delar samma kristallstruktur. Belagda på en flexibel bas kan de producera tunnfilmssolceller som är lätta och böjbara.

Medan flera nya solcellsmaterial har dykt upp under de senaste decennierna, har ingen gjort något märkvärdigt på marknaden, som domineras av kisel. Det finns i cirka 95 % av befintliga solceller.

Vissa perovskiteföretag, som Willow Technologies i Warszawa, försöker lämna kvar kisel helt och hållet. Företaget, som grundades 2014, utvecklade en bläckstråleutskriftsprocess för tillverkning av perovskitsolceller inkapslade i en flexibel plast. En panel som innehåller Saules celler är ungefär en tiondel så tung som en silikonpanel av samma storlek.

I maj öppnade Saule en fabrik som kan producera cirka 40 000 kvadratmeter paneler årligen. Det räcker för att generera cirka 10 megawatt effekt (vissa fabriker som producerar kiselceller är hundratals gånger större).

Relaterad berättelse

Dessa flexibla solceller för oss närmare att komma bort från fossilbränslevanan Inget solmaterial har lyckats ersätta kisel. Perovskites, som är mycket billigare och kan göras till flexibla moduler, kan ändra på det.

Medan perovskiter har potential att nå hög effektivitet (den världsrekord för en cell med enbart perovskit är drygt 25 %), de flesta av de bäst presterande perovskitcellerna idag är små – mindre än en tum breda.

Uppskalning gör det svårare att nå de potentiella effektivitetsgränserna. Just nu når Saules paneler, som är en meter breda, cirka 10 % effektivitet. Detta förvärras av kommersiella kiselpaneler av liknande storlekar, som vanligtvis når cirka 20 % effektivitet.

Olga Malinkiewicz , Saules grundare och tekniska chef, säger att företagets mål var att få ut en solcell som endast innehåller perovskit, och den lägre effektiviteten spelar ingen roll om tekniken är tillräckligt billig.

Saule försöker gå dit kiselsolpaneler inte gör det: till tak som inte klarar vikten av tunga glaspaneler, eller till mer specialiserade applikationer, som solcellsdrivna persienner, som företaget för närvarande testar.

Medan Saule lanserar tunnfilmsprodukter för mer nischade applikationer, hoppas andra företag att slå, eller åtminstone gå med, kisel i sitt eget spel. Storbritannien-baserad Oxford PV inkorporerar perovskiter i kombinationsceller perovskit-kisel.

Eftersom kisel absorberar ljus mot den röda änden av det synliga spektrumet, och perovskiter kan ställas in för att absorbera olika våglängder, tillåter beläggning av ett lager av perovskit ovanpå kiselceller kombinationsceller att nå högre effektivitet än enbart kisel.

Oxford PV:s kombinationsceller är tunga och stela, som celler som endast innehåller kisel. Men eftersom de har samma storlek och form, kan de nya cellerna enkelt sättas in i paneler för takpaneler eller solgårdar.

Oxford PV kombinerar perovskit och kisel för att skapa högeffektiva solceller.

OXFORD PV

Chris Case , Oxford PV:s tekniska chef, säger att företaget är fokuserat på att sänka den utjämnade kostnaden för el, ett mått som tar hänsyn till ett systems installations- och livstidsdriftskostnader. Medan skiktning av perovskiter ovanpå kisel ökar tillverkningskostnaden, säger han att den utjämnade kostnaden från kombinationscellen bör sjunka under kisel över tiden eftersom dessa nya celler är mer effektiva. Oxford har satt flera världsrekord i effektivitet för denna typ av celler under de senaste åren, senast nådde 29,5 %.

Microquanta Semiconductor , ett kinesiskt perovskitföretag baserat i Hangzhou, tar också några signaler från kiselsolceller. Företaget tillverkar paneler av styva, glasinkapslade celler som är gjorda med perovskiter.

Microquantas pilotfabrik öppnade 2020 och bör nå 100 megawatt i slutet av året, säger Buyi Yan , företagets tekniska chef. Företaget har demonstrationspaneler installerade på flera byggnader och solgårdar i hela Kina.

Lösning för stabilitet

Stabiliteten hos perovskiter förbättrades från minuter till månader inom loppet av några år. Men de flesta kiselceller som installeras idag har en garanti på cirka 25 år, ett mål som perovskiter kanske inte kan nå.

Perovskiter är särskilt känsliga för syre och fukt, vilket kan störa bindningarna i kristallen och hindra elektroner från att röra sig effektivt genom materialet. Forskare har arbetat med att förbättra livslängden för perovskiter, både genom att utveckla mindre reaktiva perovskitercept och hitta bättre sätt att förpacka dem.

Oxford PV, Microquanta och Saule säger alla att de har löst stabilitetsproblemet, åtminstone tillräckligt bra för att sälja sina första produkter.

Uppskattning av långtidsprestanda i solceller görs vanligtvis genom accelererade tester, sätta celler eller paneler under extra påfrestande förhållanden för att simulera år av slitage. Den vanligaste testserien för utomhuskiselceller är en serie som kallas IEC 61215.

Oxford och Microquanta har båda klarat testerna i denna serie relaterade till cellprestanda. Saule har klarat några av testerna, men arbetar fortfarande med andra, som fuktighetstestet, säger Malinkiewicz.

Att klara hela serien innebär vanligtvis att en solpanel av kisel kommer att hålla i minst 25 år, även om forskare inte kan vara säkra på om samma korrelation gäller för nya material som perovskiter.

Oxford PV screenade några av de tusentals föreningar som utgör perovskitfamiljen för att hitta mer stabila formuleringar. Företaget avböjde att avslöja prestandadetaljer, även om Case säger att de absolut förväntar sig att deras produkter ska ha en liknande livslängd som kiselceller. Företaget installerade testpaneler på ett tak i centrala Europa i december 2019, och Case säger än så länge att panelerna som innehåller deras perovskitskiktade celler visar samma nedbrytning som kommersiella kiselpaneler som de installerade för jämförelse.

Yan på Microquanta säger att företaget installerade testceller utomhus i februari 2020 som fortfarande når samma toppeffekt idag som när de installerades.

Microquanta demonstrerar sina solpaneler på byggnader och i solgårdar i hela Kina.

MICROQUANTA HALVLEDARE

För att förbättra stabiliteten i sina produkter gjorde Saule ändringar i metallkontakterna i cellen, såväl som i perovskitskiktet. Saules första generation av plastinkapslade perovskitceller kommer att ha minst 10 års prestandagaranti, säger Malinkiewicz. Medan kiselceller håller längre, hoppas hon att det lägre priset och enkla installationen kommer att övertyga kunderna att acceptera en kortare livslängd.

Vissa forskare är inte övertygade av dessa påståenden. Stabilitetsfrågorna har, så vitt jag vet, inte behandlats särskilt väl, säger Letian Dou , en perovskiteforskare vid Purdue University i Indiana. Dou säger att det är svårt att säga vad dessa företag håller på med eftersom de håller sin materiella utveckling hemlig, även om han tillägger att det är lovande att klara externa tester som IEC 61215.

Dous labb är ett av flera som nyligen valdes ut för att få finansiering från det amerikanska energidepartementet för att försöka lösa några av teknikens återstående problem. I mars 2021, meddelade avdelningen 40 miljoner dollar i anslag för att stödja forskning om perovskiter, mestadels för projekt inriktade på att förbättra stabiliteten hos dessa material och göra dem lättare att tillverka.

Även om perovskitceller får mer finansiering och uppmärksamhet, kommer bara tiden att utvisa om de kan konkurrera eller samexistera med kisel. Fortfarande är forskare optimistiska om möjligheten att de kan leverera billigare och mer tillgänglig solenergi. Tecknen är alla bra, säger Berry vid National Renewable Energy Laboratory.

Och, tillägger han, även efter år av forskning kommer företag som arbetar i detta område fortfarande att behöva acceptera viss osäkerhet. Om du vill vara vid blödningskanten, säger han, måste du leva med en viss risk.

Dölj