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Mary O’Kane es una científica de aplicaciones de Ossila y posee un doctorado en células solares de perovskita con una especialización en ingeniería de dispositivos y química precursora.
Las células solares de perovskita se ensamblan en entornos altamente controlados para minimizar la exposición a la humedad y el oxígeno. Esto mejora el rendimiento de las células, pero también se suma a los costos de fabricación.
Cuando el fabricante solar británicoOxford PV Envió el primer orden comercial de células solares de perovskite-silicio en septiembre pasado, fue promocionado como un descubrimiento en la industria. La noticia marcó un hito en un esfuerzo global de 15 años para desarrollar este material liviano y versátil que podría superar a las células solares de silicio tradicionales. Pero la falta de envíos de seguimiento desde entonces sirvió como un recordatorio de que esta tecnología no estaba lista para la comercialización masiva.
El principal problema: Continuación retrasos para obtener perovskitas Para el mercado solar, los ha hecho menos competitivos en costos con su procesador de programas establecido: células solares de silicio en el tiempo que llevó al sector pasar del primer artículo sobre células solares basadas en perovskitas en 2009 a la primera envío comercial en 2024, el costo de fabricar células solares de silicio planificó desde US $ 2.11 por vatio a tan solo $ .20 por vatio. Estos precios se redujeron en gran medida por la producción aumentada en todo Sudeste de Asia.
Ahora, los fuertes aranceles estadounidenses sobre las importaciones solares de silicio de estos países podrían dar a los fabricantes de perovskite una ventaja competitiva. El Departamento de Comercio de los Estados Unidos el 21 de abril anunciado una decisión final de LevyTariffs tan alto como más del 3,400 por ciento en las compañías solares en Malasia, Camboya, Tailandia y Vietnam. La decisión es el resultado de una investigación antidumping y compensación a largo plazo que encontró que las empresas en PorcelanaIntentó pasar por alto las gravámenes anteriores trasladando la fabricación a estos cuatro países. Si confirmó otra agencia de los Estados Unidos en junio, los Levies adentrarían otros impuestos de importación de los EE. UU. Ya existen en los componentes solares de la región.
Pero las tarifas antidumping no se aplican a fotovoltaicos de película delgada como perovskitas. Esto podría ser una bendición para esos desarrolladores solares, pero tendrán que moverse rápidamente. Cuanto más tarda en hacer que los perovskitas se comercialicen, más podría cambiar el panorama. Y, sin embargo, algunos investigadores en este campo continúan enfocándose en romper los registros de eficiencia de conversión de potencia, con algunos tipos de células de perovskita que alcanzan 27 por ciento. Estos logros pueden conducir a documentos en revistas de alto impacto, pero hacen poco para sacar los perovskitas por la puerta.
Muchos investigadores dicen que es hora de dejar de apuntar a ganancias de eficiencia incremental y, en cambio, centrarse en escalar la fabricación y mejorar la vida útil de las células. Esto implicaría desarrollar técnicas de fabricación que logren un equilibrio entre los dispositivos de alta calidad y los bajos costos de producción.
Esto no será fácil. Reducir los costos de procesamiento al tiempo que aumenta la vida útil y el mantenimiento de la eficiencia razonablemente alta requerirá mucha investigación y esfuerzo. Pero si los investigadores académicos e industriales se unen, este desafío de fabricación podría resolverse más rápido de lo que uno podría pensar.
Las células solares de perovskita están compuestas de iones orgánicos, metales y halógenos que forman una estructura cristalina especial que las hace muy versátiles. Con la composición correcta, los perovskitas podrían ser mejores que el silicio para convertir la luz solar a la electricidad: tienen un límite de eficiencia teórica del 34 por ciento, en comparación con el 32 por ciento de Silicon. Pueden lograr esto con una capa mucho más delgada de material, lo que les permite utilizar de manera innovadora, como células solares flexibles, curvadas. paneles solares, interior fotovoltaicos, y ventanas solares.
Desarrollador de perovskite en tándem PV dice que las capas de perovskita producidas con procesos basados en soluciones no tienen que hacerse en condiciones completamente inertes. PV en tándem
Los perovskitas también se pueden apilar en la parte superior de los fotovoltaicos de silicio para mejorar el rendimiento. La eficiencia récord actual de perovskite-silicio células solares en tándem se encuentra en 34.6 por ciento, una impresionante mejora del 7 por ciento en comparación con las mejores células de silicio.
Pero la fabricación de perovskitas de alta calidad a un bajo costo ha demostrado ser un desafío. La exposición al aire y la humedad durante el procesamiento puede obstaculizar el rendimiento inicial y conducir a la degradación con el tiempo. Esto ha obligado a los investigadores a reunirlos en entornos altamente controlados.
Dentro de estos entornos controlados, hay dos formas de hacer células solares de perovskita. La ruta más cara—deposición de vapor—Envoluciona los materiales de perovskita evaporantes o vaporizantes en condiciones de vacío y luego los depositan como un película delgada. Esto hace películas de muy alta calidad con pocos defectos y eficiencia confiable. Pero los costos de configuración para este método son altos, y se requiere un mantenimiento riguroso y un alto control ambiental.
El método más simple y más barato implica depositar capas de perovskita utilizando impresión de inyección de tinta o revestimiento de rociado. En estos enfoques basados en soluciones, los materiales de perovskita se disuelven en una solución precursora o “tinta”, y se aplican directamente a la superficie o sustrato deseado. La simplicidad de esta técnica ha permitido a los investigadores mejorar rápidamente las perovskitas durante la última década. Sin embargo, estas técnicas permiten mucho espacio para la contaminación y los defectos.
Con cualquier ruta, para producir las células de mayor rendimiento, la fabricación generalmente ocurre en un entorno controlado, como una guantera de laboratorio. Este equipo bombea oxígeno y humedad, reemplazándolo con un gas no reactivo como el nitrógeno. Sin embargo, aumentar la cantidad de control ambiental puede aumentar los costos.
Algunas cajas de guantes pueden reducir los niveles internos de oxígeno y humedad a menos de 1 parte por millón (ppm). Pero instalar y mantener estos sistemas es costoso. Este nivel de control ambiental requiere un bucle complejo de filtros y sistemas de ventilador para extraer aire contaminado, purificarlo y luego recircularlo en el sistema. Estos filtros y sistemas de control requieren mantenimiento y reemplazo regulares, que aumentan los costos de mantenimiento. Los sensores PPM por sí solos pueden costar miles de dólares.
Estos costos de mantenimiento siempre escalarán con volumen. Cuanto más grande sea el entorno, más aire debe filtrarse y más difícil es mantener un estricto control ambiental. Esto requiere fanáticos más poderosos, filtros más grandes, y si estos sistemas están expuestos a la atmósfera, costará más tiempo y dinero para que vuelvan a trabajar.
Métodos innovadores de fabricación de perovskita
Estos desafíos han llevado a los desarrolladores solares a experimentar con diferentes métodos de fabricación para dispositivos de perovskite, especialmente a mayor escala. Por ejemplo, Rollo de potencia En Durham, Inglaterra, que está desarrollando módulos solares flexibles, actualmente está adoptando un enfoque basado en la solución al tiempo que evalúa simultáneamente otros métodos. “Continuamente colaboramos con socios industriales y académicos para permanecer a la vanguardia de las técnicas de fabricación. Esto asegura que mantenga las opciones abiertas para los procesos de vacío y solución”, dice Colina de Nathan, un científico principal en Power Roll.
Oxford PV, con sede en Oxford, Inglaterra, no ha considerado cómo fabricó los módulos en tándem Perovskite-Silicon en su primer envío comercial. En Entrevista de 2018, El cofundador de Oxford, Henry Snaith, insinuó que su compañía podría tomar la ruta de vapor cuando dijo que “las células depositadas de vapor [avanzarían] más rápido que las células procesadas con solución”.
La técnica de recubrimiento de giro deposita las capas de perovskita que utilizan fuerza centrípeta para extender el material de manera uniforme a través de un sustrato. Realizar este proceso dentro de una guantera, donde se controlan el oxígeno y la humedad, ayuda a mejorar el rendimiento. Osila
El procesamiento completamente inerte, a muy bajo PPM, no es ideal para la producción a gran escala, dicen muchos fabricantes. Por lo tanto, están explorando enfoques innovadores para simplificar la fabricación. “Si bien reconocemos que el procesamiento en condiciones inerte puede ser beneficioso para la producción a escala de laboratorio, nosotros y nuestros socios descubren que el control de la temperatura y la humedad son los factores clave para manejar el crecimiento de granos de perovskita, y hemos tenido resultados prometedores que trabajan fuera de entornos inertes”, dice Hill en Power Roll. Otro innovador de perovskite, PV en tándem en San José, California, procesa sus capas de perovskita de soluciones fuera de las condiciones inerte, según un portavoz de la compañía.
A medida que los fabricantes continúan experimentando, los investigadores también deben reevaluar sus objetivos para las células solares de perovskita. Por lo general, cuanto más inerte es el medio ambiente, mayor rendimiento de la célula solar. Pero, ¿qué tan alto funcionan estas células, y qué tan inertes tienen que ser estos entornos? ¿Existe un término medio donde los entornos están parcialmente controlados, y las perovskitas resultantes siguen siendo de alta calidad?
Mis colegas y yo enOsila tener demostrado que las perovskitas de haluro mixtas de triple catión, que son relativamente robustas, se pueden hacer de manera confiable en un guantera Eso mantiene solo 15 ppm de humedad y niveles de oxígeno del 0.5 por ciento (5000 ppm). Estas células solares lograron eficiencias comparables a las realizadas en cajas de guantes de alta gama (19.2 por ciento en comparación con el 19.7 por ciento, respectivamente). Los dispositivos que se acercan al 19 por ciento están dentro del ámbito de competir con la tecnología solar de silicio (que en gran medida alcanzan la eficiencia del 13-23 por ciento, dependiendo del tipo de células solares). Debido a que las perovskitas se usan mejor en situaciones donde el silicio no se puede usar, o junto con dispositivos de silicio, creemos que este es un resultado impresionante.
También descubrimos que cuando las mismas perovskitas (haluros mixtos de triple catión) se procesan en aire ambiente con un enfoque basado en solución, los dispositivos aún funcionan bien. Los mejores resultados, que alcanzaron el 17.6 por ciento, indican que existe la esperanza de buenas células solares de perovskita procesadas por aire.
Los aranceles sobre el silicio solar podrían hacer que los perovskitas sean más competitivos
Muchos investigadores académicos también están experimentando con la creación de células solares de perovskita fuera de los entornos de guantes. Un estudio recienteIn Nature Communications describió una perovskita de rollo a rollo procesada por la solución fabricada por completo en el aire ambiente. (El procesamiento de rollo a rollo implica una fabricación de alta velocidad que puede depositar continuamente soluciones en materiales flexibles en rollos en movimiento. Es como la impresión de periódicos, pero para las células solares).
Investigadores de la Agencia Nacional de Ciencias de Australia, Cisro, el año pasado demostraron la primera vez fabricada por el primer célula solar de perovskita En condiciones de sala ambiental. Csiro
Los dispositivos resultantes alcanzan eficiencias de 15.5 por ciento para células individuales y 11 por ciento para módulos mini-solar. Además, los costos de producción estimados son tan bajos como $ 0.70 por vatio y aún tienen más espacio para las reducciones de costos.
Para mover el campo a plena comercialización, es fundamental que se coloque un mayor enfoque en los métodos de procesamiento escalable en lugar de perseguir eficiencias cada vez más altas. La academia y la industria deben alinear sus objetivos de aumentar la estabilidad y la escalabilidad.
La comercialización de las células solares de perovskita está al alcance. Y la evolución de las condiciones comerciales internacionales podría dar a la ventaja competitiva de las células solares de perovskita. Pero para lograr esto, es extremadamente importante identificar cualquier paso innecesario involucrado en hacerlos. Con una producción de bajo costo, una producción globalmente adaptable y oportunidades de fabricación flexibles, los dispositivos de perovskite podrían ofrecer una ruta prometedora para la fabricación en todo el mundo, lo que fortalece el suministro global general de fotovoltaicos.
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