Perovskite-Silicon Tandem Photovoltaics: Er de fremtiden for solenergi?
- Jackie De Burca
- November 4, 2024
Nøgleforsøg
- Perovskit-silicium tandem fotovoltaik har vist hurtige effektivitetsforbedringer og nåede over 25 % i laboratoriemiljøer, sammenlignet med de bedste siliciumceller.
- Perovskite solceller tilbyder en omkostningseffektiv produktionsproces sammenlignet med traditionelle siliciumceller, med teknikker som opløsningsbehandling, print og dampaflejring, der er skalerbare og befordrende for masseproduktion.
- Perovskite solceller demonstrerer justerbare båndgab, hvilket muliggør optimering af deres fotovoltaiske egenskaber, så de passer til forskellige lysforhold ved at ændre deres kemiske sammensætning.
- Stabiliteten og holdbarheden af perovskit-solceller er fortsat en udfordring, da de er modtagelige for nedbrydning fra miljøfaktorer som fugt, ilt og UV-lys.
- Etablering af klare regler og standarder for produktion og bortskaffelse af perovskitsolceller er afgørende for sikker og ansvarlig brug af denne teknologi.
Forståelse af udviklingen af solcelleteknologi
Der er brug for nye materialer og teknologier til det bedre solenergi. Perovskit-baserede solceller er lovende. De har nået en effektivitet på 29.4 % i laboratorietests, hvilket slår siliciums grænse3. Det højeste laboratorietestresultat for perovskit-siliciumceller er 31.3 %3. For større celler er der opnået effektiviteter på 22.5 % ved brug af industrielle metoder3.
Fra traditionel silicium til moderne solceller
Behovet for forbedrede solenergiløsninger
Der er et stærkt skub for bedre, billigere solenergi. Perovskitceller fører vejen. De kan nå over 30 % effektivitet, når de parres med silicium4.
Historisk udvikling af tandem solceller
Hvad gør Perovskite-materialer revolutionerende
Perovskite-materialer har en speciel krystalstruktur, der har ændret spillet bæredygtig elproduktion5. De har et lignende atomarrangement som mineralet perovskit (CaTiO₃), hvilket fører til stor lysabsorption og effektiv ladningstransport5. Disse materialer kan fremstilles ved hjælp af overkommelige løsningsbaserede processer, hvilket gør dem billigere og mere skalerbare end traditionelle siliciumbaserede solceller5.
Deres potentiale for storskalaproduktion til lavere omkostninger markerer sammen med deres imponerende fotovoltaiske ydeevne et stort gennembrud inden for solteknologi5. Perovskite solceller har set et stort spring i effektivitet, fra omkring 3 % i 2009 til over 29 % i dag5. De har endda nået laboratorieeffektiviteter på over 33 %, og slår traditionelle siliciumceller5.
Effektivitetstal for perovskite solpaneler er sprunget fra 10 til 20 procent på kun to år5. Den bedste laboratoriecelleeffektivitet har ramt 20 %5. Analytikere mener, at masseproduktion af perovskit-solceller snart vil starte med fokus på at opskalere produktionen5. Dette er nøglen til udbredt anvendelse af denne nye teknologi.
Perovskite solceller har også unikke fordele, som at være lette og fleksible5. Dette lader dem bruges på forskellige overflader, herunder fleksible og teksturerede5. Denne alsidighed åbner op for nye muligheder for at bruge perovskit-baserede solcelleløsninger i forskellige områder, fra bygningsintegreret solcelle til bærbar elektronik.
Sammenlignet med traditionelle siliciumbaserede solpaneler har perovskit-solceller taget et stort spring i effektivitet5. Mens siliciumpaneler kun kan nå omkring 29% effektivitet, har perovskitceller ramt laboratorieeffektiviteter over 33%5. Dette er takket være deres krystalstruktur, som giver mulighed for høje ladningsbærermotiliteter og lange diffusionslængder. Det betyder, at elektroner kan rejse længere gennem tykkere solceller, hvilket gør mere elektricitet5.
Forskere arbejder dog hårdt på at løse stabilitetsproblemerne med perovskit-solpaneler5. Disse paneler kan være følsomme over for fugt og temperatur5. Når først disse tekniske forhindringer er overvundet, kan perovskit-baseret elproduktion nå sit fulde potentiale, hvilket fører til en mere bæredygtig energifremtid.
De unikke egenskaber ved perovskitmaterialer sammen med deres omkostningseffektivitet og skalerbarhed gør dem til en game-changer i bæredygtig elproduktion5. Efterhånden som forskning og udvikling fortsætter fremad, er perovskit-baserede solcelleløsninger klar til at transformere det globale energilandskab5.

Desuden gør strukturen af perovskitceller dem i stand til at have høje ladningsbærermotiliteter og lange diffusionslængder, hvilket tillader elektronernes vandring gennem tykkere solceller og genererer mere elektricitet5. Ved at ændre sammensætningen af perovskitceller kan de laves i enhver farve, hvilket er fantastisk til bygningsintegrerede solcelleapplikationer5.
Perovskite PV-effektivitet er vokset fra 2 % i 2006 til over 20.1 % i 20156. Perovskite PV-markedet forventes at nå $214 millioner med 20256. Mens silicium PV-celler normalt har en effektivitet på 15-20%, kan perovskites effektivitet gå højere6. Dette skyldes, at perovskit-solceller kan absorbere et bredere lysområde sammenlignet med silicium6.
Sammenfattende er perovskit-materialer en game-changer inden for bæredygtige energiløsninger5. Deres omkostningseffektivitet og potentiale for højeffektiv elproduktion gør dem til en nøglespiller i fremtidens energi5. Da forskningen tackler de resterende udfordringer, ser fremtiden for perovskit-baseret solteknologi meget lovende ud5.
Videnskaben bag perovskit krystalstruktur
Effektiviteten af perovskit-solceller er vokset fra omkring 3 % i 2006 til 25.2 % i dag. I mellemtiden forbliver siliciumsolceller på 27 %7. Tandem silicium-perovskite celler har nået 29.1% effektivitet, med kommercielle versioner forventes at nå omkring 24%.
Kemisk sammensætning og egenskaber
Perovskit-silicium tandemceller har allerede nået en konverteringseffektivitet på 26 %8.
Bandgap-egenskaber
Ændring af perovskit-båndgabet ved at erstatte jod med brom kan hjælpe med at nå dette ideal9.
Lysabsorptionsevner

Den unikke struktur og justerbare egenskaber af perovskitmaterialer er en game-changer inden for solceller. De tilbyder bedre energiomdannelse og kunne være mere overkommelige7. Efterhånden som perovskite-solpaneler bliver mere tilgængelige, kan de blive billigere. Dette kunne gøre solcelleanlæg mere overkommelige for folk7.
Fremstillingsprocesser og omkostningseffektivitet
Perovskite-solceller har ændret solenergiverdenen. De kan lave tyndfilmsteknologi meget billigere end gamle siliciumceller. Disse nye materialer er fremstillet ved hjælp af metoder som løsningsbehandling og print, hvilket gør dem nemme at producere i store mængder10.
Perovskitmaterialer kan også arbejde med siliciumceller, hvilket skaber bedre solenergienheder10. Disse hybridceller bruger perovskiter til bedre lysindfangning og silicium for omkostningseffektivitet10. Ved at bruge billigere siliciumwafers kan disse tandem reducere omkostningerne til solenergi med 15-20 %10.

Perovskite–Silicon Tandem Photovoltaics: Kerneteknologi og fordele
Perovskit-silicium tandem fotovoltaik leder i solenergi innovation. De blander perovskitmaterialer med traditionelle siliciumceller. Dette skaber en mere effektiv og omkostningseffektiv solenergiløsning.
Kerneteknologien stabler et perovskitlag oven på en siliciumcelle. Denne opsætning fanger et bredere lysområde. Det booster helheden energikonverteringseffektivitet.
Arbejdsbestemmelser
Arbejdsprincippet for perovskit-silicium tandem fotovoltaik er baseret på styrkerne af begge materialer. Perovskites absorberer højenergifotoner godt. Silicium er på den anden side bedre til fotoner med lavere energi.
Ved at kombinere disse lag bruger tandemstrukturen mere af solspektret. Dette fører til bedre elproduktion.
Effektivitetsfordele
Fyldningsfaktoren for disse tandem-enheder har ramt 83.0 %, og tomgangsspændingen er tæt på 1.97 V11. Denne høje ydeevne kommer fra den perfekte båndgap-justering mellem perovskite og silicium. Det giver mulighed for en mere effektiv indfangning af solspektret.
Omkostnings-ydelsesforhold
Omkostnings-ydelsesforholdet for perovskit-silicium tandem fotovoltaik er en stor fordel. Den billige produktion af perovskitlag kombineret med tandemstrukturens effektivitet giver et bedre forhold mellem omkostninger og effekt end traditionelle siliciumsolceller12.
Dette gør perovskit-silicium tandemteknologi tiltalende til forskellige formål. Det er velegnet til solenergianlæg i brugsskala, bygningsintegreret solcelleanlæg (BIPV) og elektriske køretøjer (EV).

"Perovskite tandemsolceller har vist lovende effektivitet i sammenligning med andre solcelletyper; for eksempel opnåede perovskit-silicium-tandem en effektivitet på 33.9%, hvilket overgik single junction siliciumsolceller med 26.7%.12
Aktuelle effektivitetsrekorder og præstationsmålinger
Perovskite og tandem solceller ændrer spillet for vedvarende energi. Med løbende forskning kan vi se frem til endnu flere gennembrud.

"Den teoretiske grænse for siliciumsolceller, Shockley-Queisser-grænsen, er omkring 32%. Imidlertid er effektiviteten af kommercielle siliciumsolpaneler yderligere begrænset til omkring 20 % på grund af parasitære tab forårsaget af ikke-idealitet."14
Overvejelser om miljøpåvirkning og bæredygtighed
Perovskit-silicium tandem fotovoltaik kunne ændre den måde, vi laver magt på. Men vi er nødt til at se på deres effekt på miljø og hvis de er bæredygtige. Disse nye solceller kan måske hjælpe os med at bruge mere vedvarende energi. Alligevel er der bekymringer om deres makeup og hvordan de er lavet15.
Carbon Footprint Analyse
Undersøgelser viser, at tandemsolceller, der kun er perovskit, har en mindre carbonspor end andre16. Dette skyldes, at fremstilling af perovskitmaterialer bruger mindre energi end siliciumbaserede16.
Bekymringer om materialetoksicitet
Genbrugsmuligheder
Når vi bevæger os fremad, er det vigtigt at tænke på miljøet og bæredygtighed af perovskit-silicium tandem fotovoltaik. Vi skal tage fat på spørgsmålene om materialetoksicitet, CO2-fodaftryk og genanvendelse. Dette vil hjælpe med at sikre, at denne teknologi bliver brugt på en måde, der er god for vores planet15.

metric | Perovskite-kun Tandem | Perovskite-silicium tandem | Konventionel silicium PV |
---|---|---|---|
Carbonspor | Sænk | Højere | Højere |
Energitilbagebetalingstid | 4 måneder | 18 måneder | 18 måneder |
Genanvendelighed | Højere | Sænk | Sænk |
"Udvikling af skalerbare fremstillingsprocesser for perovskit-solceller er afgørende for bæredygtig tandem-solcelleproduktion."16
Stabilitets- og holdbarhedsudfordringer
Perovskite fotovoltaiske celler står over for store udfordringer på længere sigt. De kan nedbrydes, når de udsættes for fugt, ilt og UV-lys. Dette gør dem mindre effektive over tid17. For at få succes skal de holde lige så længe som siliciumsolceller, hvilket kan fungere godt i 25 år eller mere.
Forskere arbejder hårdt på at gøre perovskit-solceller mere stabile. De ser på nye materialer og bedre måder at beskytte dem på18. Målet er at skabe tandem fotovoltaiske celler der holder lige så længe som siliciumpaneler, men fungerer bedre til at lave bæredygtig kraft.
- Perovskite-silicium tandem solceller har nået en imponerende effektkonverteringseffektivitet, hvor nogle prototyper har overgået 29%-mærket18.
- Livscyklusanalyser har vist, at perovskit-silicium tandem solceller udviser et lavere kulstofaftryk sammenlignet med traditionelle silicium solpaneler18.
- Skalerbare aflejringsteknikker som inkjet- eller rulle-til-rulle-udskrivning har vist lovende at opnå ensartet ydeevne på tværs af store enheder18.
Potentialet for perovskit-silicium tandem solceller er enormt, men de står over for store udfordringer17. Industrien skal løse disse problemer for at gøre dem til et pålideligt valg for bæredygtig elproduktion. Løbende forskning er nøglen til at gøre denne teknologi til en succes.

"At opnå langsigtet stabilitet og holdbarhed er den hellige gral for perovskit-solceller, og det er en udfordring, som forskningsmiljøet arbejder hårdt på at løse."
Kommerciel levedygtighed og markedspotentiale
Branchevedtagelsesrater
Fremskrivninger af markedsvækst

"At lave siliciumsolpaneler kræver langt mere energi og materialer end perovskitceller, hvor siliciumpaneler forbruger tre års værdi af verdens nuværende siliciumproduktion for at generere 12.5 terawatt strøm, mens det kun vil tage et par dage at opnå den samme strømkapacitet med perovskiter. af blyproduktion."19
metric | Silicium solceller | Perovskit-silicium tandemceller |
---|---|---|
Effektivitet | ~ 22% | > 24% |
Pris pr. celle | N / A | $0.22 |
Blyindhold | N / A | 0.3 g / m² |
Potentiel økotoksicitet i ferskvand | N / A | 0.27% |
Perovskit-silicium tandem fotovoltaik kommer tættere på at være en stor sag inden for solenergi. De bliver bedre, billigere og sikrere for planeten. Efterhånden som de bliver ved med at forbedre sig, kan de ændre, hvordan vi laver vedvarende energi.
Forsknings- og udviklingsgennembrud
Perovskite solceller har set store spring i de seneste år. Forskere verden over arbejder på nye løsninger til at overvinde store forhindringer. De fokuserer på at gøre tandemsolceller fra perovskit/silicium bedre21.
Nye metoder som opløsningsmiddel engineering og overfladepolering bliver brugt. Langkædede overfladeaktive stoffer hjælper med at holde perovskit/silicium tandems stabile21. Forskere undersøger også blandede tin-bly perovskiter for bedre ydeevne21.
Disse gennembrud er blevet delt i top videnskabelige tidsskrifter21. Fremtiden for solenergi ser lys ud, med perovskit-silicium tandem solceller førende.

Integration med eksisterende solcelleinfrastruktur
Problemer med kompatibilitet
Implementeringsstrategier
At bruge perovskit-silicium tandem solceller er et smart træk. Det lader os nemt opdatere gamle solpaneler uden at ændre meget23. Efterhånden som perovskite-teknologien bliver bedre, og flere penge går til ren energi24, kan blanding af disse nye celler med gamle systemer være nøglen til en grønnere fremtid.

"Tandem solceller kan opnå højere effektivitet sammenlignet med single-junction solceller ved at kombinere forskellige materialer med komplementære absorptionsegenskaber."23
Fremtidige applikationer og muligheder
Perovskite solceller skal ændre spillet på mange områder. De kan gøres fleksible og lette, perfekte til gadgets, bærbare opladere og endda tøj25. Deres evne til at tilpasse sig forskellige behov betyder, at de kan fungere godt indendørs eller endda i rummet25. Dette kan gøre vedvarende energi mere tilgængelig i hjem, virksomheder, biler og fjerntliggende områder25.

metric | Værdi |
---|---|
Højeste PCE for single-junction PSC'er | 26.1%25 |
Indledende PCE af PSC'er | 3.8%25 |
Nuværende PCE af PSC'er | 26.1%25 |
Teoretisk PCE for to-junction tandem | 42%26 |
Teoretisk PCE for tre-kryds | 49%26 |
Maksimal effektivitet af stablede solceller (ukoncentreret) | 68%26 |
Maksimal effektivitet af stablede solceller (koncentreret) | 86%26 |
"Fremtiden for vedvarende energi lover meget, med perovskit-solceller i spidsen for denne teknologiske revolution."
Globale forskningsinitiativer og finansiering
Forskning og finansiering af perovskite-solteknologi har været stor globalt. Den amerikanske regering har lagt millioner i perovskitforskning. I 2020 havde de 20 millioner dollars til forskellige projekter27. Europa-Kommissionens Horizon 2020-program har også været nøglen. Det hjalp med at flytte perovskite-teknologi fra laboratorier til markedet27.
Regeringsstøtteprogrammer
Investering i den private sektor
Private virksomheder investerer også i perovskite-teknologi. Oxford PV er førende i at få det til at fungere til rigtig brug. De solgte de første perovskit-silicium tandem solcellemoduler med 72 celler med en effektivitet på 24.5 %27. Disse moduler kan lave 20 % mere elektricitet end sædvanlige siliciumpaneler27.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er de vigtigste fordele ved perovskit-silicium tandem fotovoltaik?
Hvordan er perovskit-solceller sammenlignet med traditionelle siliciumceller med hensyn til effektivitet og omkostningseffektivitet?
Hvad er de vigtigste udfordringer for den kommercielle levedygtighed af perovskit-solteknologi?
Hvad er de potentielle fremtidige anvendelser for perovskit-solceller?
Hvad er den nuværende tilstand af global forskning og finansiering af perovskit-solteknologi?
Kilde links
- Perovskite Tandem Cells: kaster lys over fremtiden for solenergi – https://www.hanwha.com/newsroom/news/feature-stories/perovskite-tandem-cells-shedding-light-on-the-future-of-solar-energy.do
- Fremskridt inden for fotovoltaiske cellematerialer: Silicium, organiske og perovskit solceller - https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10934213/
- Fremskridt Perovskite-Silicon Tandem solcelle- og modulteknologi til industriel modenhed – Fraunhofer ISE – https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/press-releases/2022/advancing-perovskite-silicon-tandem-solar-cell-and-module-technology.html
- Seneste fremskridt i Perovskite Tandem solceller - https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10305642/
- Effektivitet af perovskite solceller - https://www.greenmatch.co.uk/blog/perovskite-solar
- En introduktion til Perovskites | Perovskite-Info – https://www.perovskite-info.com/introduction
- Perovskite: revolutionerer solindustrien | Episk energi – https://www.thinkepic.com/solar/perovskite-revolutionizing-solar/
- Perovskite solceller: hvorfor de er fremtiden for solenergi – https://www.solarreviews.com/blog/are-perovskite-solar-cells-the-future-of-solar-power
- NREL-ledet forskning i perovskit-silicium tandemceller viser ny vej at tage - https://www.nrel.gov/news/program/2020/nrel-led-research-into-perovskite-silicon-tandem-cells-shows-new-path.html
- Køreplan for omkostningseffektive, kommercielt levedygtige perovskit silicium tandems til det nuværende og fremtidige PV marked – https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/se/c9se00948e
- Perovskite/silicium tandem solceller med passivering af dobbeltlagsgrænseflade – Natur – https://www.nature.com/articles/s41586-024-07997-7
- Perovskite Tandem solceller – https://www.ossila.com/pages/perovskite-tandem-solar-cells
- Chart for bedste forskningscelleeffektivitet – https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
- Slår rekorder: Perovskite/silicium tandem solcelleeffektivitet stiger til 34.6 % i juni 2024 – https://www.fluxim.com/perovskite-silicon-tandem-pv-record-updates
- Miljøpåvirkninger af III-V/silicium solcelleanlæg: livscyklusvurdering og vejledning for bæredygtig produktion – https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ee/d0ee01039a
- Perovskit mineral understøtter solenergi bæredygtighed | Cornell Chronicle – https://news.cornell.edu/stories/2020/07/perovskite-mineral-supports-solar-energy-sustainability
- Stabilitetsudfordringer for kommercialiseringen af perovskite - silicium tandem solceller - Nature Reviews Materialer - https://www.nature.com/articles/s41578-022-00521-1
- Begrænsningerne af perovskit-silicium tandem solceller - https://www.sunpalsys.com/the-limitations-of-perovskite-silicon-tandem-solar-cells_n201
- Perovskite fremskridt skubber tandem solceller tættere på markedet - https://cen.acs.org/energy/solar-power/Perovskite-progress-pushes-tandem-solar/96/i24
- En tandemtilgang til bedre solceller – https://discovery.kaust.edu.sa/en/article/24184/working-in-tandem-for-better-commercial-solar-cells/
- Tandem Perovskite solcelleanlæg – https://www.nature.com/collections/hjdjgicbbg
- Maxwell løfter sløret for det seneste gennembrud inden for fuldt teksturerede perovskit/silicium Tandem-celler – https://www.pv-tech.org/industry-updates/maxwell-unveils-latest-breakthrough-in-fully-textured-perovskite-silicon-tandem-cells/
- 🌞 Perovskite og Tandem Solar Technology: Revolutionizing the Solar Industry 🌞 – https://www.linkedin.com/pulse/perovskite-tandem-solar-technology-revolutionizing-industry-jay-dhola
- Hvordan tandemsolceller vil ændre verden – https://greenhouse.agency/blog/tandem-solar-cells-will-change-the-world/
- Præstationer, udfordringer og fremtidsudsigter for industrialisering af perovskit-solceller – Light: Science & Applications – https://www.nature.com/articles/s41377-024-01461-x
- Næste generations applikationer til integrerede perovskit-solceller – Kommunikationsmaterialer – https://www.nature.com/articles/s43246-022-00325-4
- Oxford PV sender de første kommercielle perovskite tandem moduler – https://www.pv-tech.org/oxford-pv-ships-first-commercial-perovskite-tandem-modules/
- Positive tidlige resultater fra første test af perovskit tandem solceller i rummet – https://pv-magazine-usa.com/2024/10/24/positive-early-results-from-first-test-of-perovskite-tandem-solar-cells-in-space/