У пошуках альтернативи кремнію китайські виробники фотоелектричних елементів інвестують у перовскітні осередки.
Попит на сонячну енергію стрімко зростає. Очікується поява сонячних елементів з більш високою ефективністю перетворення енергії та нижчою вартістю, ніж основні елементи, такі як PERC, HJT і TOPCon. Перовскітні сонячні елементи стали новинкою для виробників фотоелектричних елементів та інвесторів, які просувають перовскітні сонячні елементи з лабораторій на ринок (особливо враховуючи, що ця галузь підтримується урядами, які прагнуть досягти амбітних цілей щодо зниження викидів вуглецю).
Перовскітні сонячні елементи вперше були представлені Цутому Міясаку в Японії в 2009 році з ефективністю перетворення енергії 3,8%, але "впали в сплячку" майже на десять років, оскільки ефективність енергоспоживання є ключовим фактором для комерційних сонячних елементів. Проте в останні роки в лабораторії фотовольтаїки Університету науки і технології імені короля Абдалли (KAUST) ефективність перетворення енергії одноперехідного перовскітного сонячного елемента досягла 25,5% у 2020 році та 33,2% для тандемного перовскіт-кремнієвого сонячного елемента. ще у межах межі випромінювання, визначеного теорією Шокли-Квайссера (SQ), тобто. перовскітні елементи надзвичайно перспективні як сонячні елементи третього покоління, тоді як інші елементи досягають максимуму своїх меж.
Плюси та мінуси перовскітів для сонячних батарей.
Перовскіт відноситься до сімейства сполук, а не до конкретного хімічного елемента, такого як кремній або кальцій, і названий так за структурну подібність мінералу перовскіту на честь Л.А. Перовського, російського мінералогу. Перовскітні матеріали "добре працюють" з недосконалостями та домішками, тому що вони допускають дефекти в кристалографічній структурі, тоді як кремнієві матеріали вимагають надзвичайно високої чистоти для гарної роботи в електронних пристроях.
А коли перовскіти використовуються для сонячних батарей, їх універсальні оптоелектронні властивості та унікальна структура дозволяють перетворювати фотони світла, які отримують від сонця, в електрику набагато ефективніше, ніж в елементах, що використовують кремнієві матеріали. Тонка плівка перовскіту може бути нанесена на гнучкі підкладки, що відкриває можливості для створення модулів чи панелей різної форми. Крім того, перовскітні осередки легше виготовити в лабораторії, ніж кремнієві, так як хімічні компоненти перовскіту легко збираються.
Однак перовскіт і руйнується набагато швидше, ніж кремній, який може більше 25 років працювати зі збереженням не менше 90% потужності, що виробляється. Недовговічність перовскітних матеріалів не дозволила налагодити їхнє комерційне виробництво в останнє десятиліття.
Китайські виробники фотоелектричних елементів та інвестори зацікавлені у перовскіті.
Оскільки перовскіти показують великі перспективи, а обладнання та технології вже перебувають на вищому рівні, то в останні роки кілька компаній розпочали комерційне виробництво цих елементів, а китайські інвестори звернули увагу на їхню комерціалізацію у 2020 році завдяки фантастичним властивостям перовскітів, включаючи високі коефіцієнти поглинання, перебудову зазору, відмінну рухливість носіїв заряду і технологічність рішення.
Деякі великі виробники фотоелектричних систем в Китаї запустили пілотні лінії з виробництва перовскітних осередків в 2020-2021 рр., отримавши інвестиції від компаній Three Gorges Capital Holdings, Cathay Capital, Hillhouse Capital Group, Tencent, Gountry Garden і т.д. оптимізації виробництва перовскітних осередків у галузі матеріалів, обладнання та процесів.
З того часу індустріалізація перовскітних елементів у Китаї значно прискорилася. У 2022 році компанія UtmoLight, підрозділ компанії SVOLT Energy Technology Co, Ltd., що входить до Great Wall Holdings, ввела в експлуатацію лінію з виробництва перовскітних елементів потужністю 150 МВт, а китайська високотехнологічна компанія Hanzhou Microquanta - виробничу лінію потужністю 100. приділяючи особливу увагу дослідженням і розробкам перовскітних сонячних елементів і модулів, у той час як багато пілотних виробничих ліній потужністю понад 100 МВт були побудовані китайськими піонерами в області перовскіту, включаючи GCL Perovskite, Hangzhou Zhongneng Photoelectricity Technology, Hubei Wonder. Час планується встановлення більших виробничих ліній.
Одним з ключових факторів для китайських виробників сонячних елементів є низька вартість виробництва перовскітних елементів. Інвестиції, необхідні для виробництва 1 ГВт потужності кристалічного кремнію, пластин, елементів та модулів, становлять від 900 мільйонів до 1 мільярда юанів. Згідно з відкритими даними Hanzhou Microquanta, GCL та Oxford PV, виробників перовскітних елементів у Китаї та Німеччині, потреба в 1 ГВт перовскітової продукції становить близько 500 млн. юанів, що вдвічі менше вартості кремнію. А 500 мільйонів юанів – це 1/10 частина вартості 1 ГВт тонкоплівкових сонячних елементів другого покоління на основі GaAs.
Тим часом обладнання, необхідне для виробництва сонячних батарей, для перовскітних і кристалічних кремнієвих елементів сильно відрізняється. Основні сонячні елементи з кристалічного кремнію обробляються у чотирьох різних цехах - від кремнієвих матеріалів до пластин, осередків та модулів, і цей процес займає не менше трьох днів. Однак основне обладнання для перовскітів може бути зібране в одну виробничу лінію, включаючи обладнання для PVD, лазерне обладнання, обладнання для ламінування, очищення, сушіння та різні види автоматизованого обладнання, що дозволяє переробляти скло, клейку плівку, мішені та хімікати в модулі на одному заводі за 45 хвилин, що значно скорочує процес та знижує витрати.
Крім того, більш висока ефективність перетворення енергії перовскітних осередків у порівнянні з кремнієвими також приваблює виробників. Теоретична гранична ефективність монокристалічного кремнієвого елемента становить близько 29%, що в даний час "перебуває в межах досяжності"; 26,4% було досягнуто компанією JinkoSolar з її елементом 182 TOPCon, 26,56% - елементом р-типу HJT компанії LONGi та 26,09% - елементом HJT без індію компанії LONGi, 24% - для елементів IBC. За оцінками, ефективність перетворення енергії одноперехідних перовскітних сонячних елементів досягає 31%, а ефективність тандемних сонячних елементів теоретично може перевищити 45%.
Лінії з виробництва перовскітних елементів потужністю понад 100 МВт у Китаї.
Компанія UtmoLight завершила будівництво розподілених сонячних систем з використанням своїх перовскітних елементів у пілотному проекті огородження озера Taihu Lake PV у місті Усі та двох проектах навісів для автомобілів на даху в Шанхаї, Китай. За словами UtmoLight, перовскітні продукти підходять для різного застосування і, як очікується, використовуватимуться в BIPV, розподілених фотоелектричних системах у всіх типах фотоелектричних проектів. Більше того, 12 квітня 2023 року UtmoLight запустила базу з виробництва перовскіту, включаючи першу виробничу лінію перовскітних елементів потужністю 1 ГВт, яку планує завершити у 2024 році.
GCL Perovskite, дочірня компанія GCL Group, провідного виробника фотоелектричних елементів, 17 квітня 2023 року оголосила, що ефективність перетворення енергії її великого перовскітного модуля розміром 2 м х 1 м досягла 16,02% і буде збільшена до 18% протягом 2023 року, що виробнича лінія з випуску перовскітних елементів потужністю 1 ГВт буде запущена у 2024 році.
У травні 2022 року компанія Hanzhou Microquanta офіційно поставила 5 000 перовскітних α-модулів. З того часу було завершено низку демонстраційних проектів з використанням її перовскітних α-модулів, включаючи розподілені фотоелектричні системи на дахах, наземні розподілені фотоелектричні системи та фотоелектричні проекти для транспортних систем.
Renshine Solar, китайська компанія, яка в даний час експлуатує лінію з виробництва перовскітних елементів потужністю 10 МВт і в січні 2023 року оголосила про стійку ефективність перетворення енергії в 29,0% для повністю перовскітних тандемних сонячних елементів, яка, як очікується, перевищує протягом 2023 року також заявила, що вона завершить будівництво лінії з виробництва перовскітних елементів потужністю 150 МВт у 3 кварталі 2023 року і почне масове виробництво модуля розміром 1,2 м х 0,6 м до кінця 4 кварталу 2023 року. У 2024 році компанія удосконалить проект до 150 МВт багатошарової перовскітової продукції і перейде на лінію з виробництва перовскіту в масштабі ГВт.
Перспективи виробництва перовскіту у Китаї.
За даними деяких китайських промислових дослідницьких інститутів, частка ринку перовскітних елементів у Китаї становила в 2022 менш 1%, і очікується, що до 2030 вона зросте до 30%. Масштаби розширення експериментальних ліній з виробництва перовскітних елементів можуть досягти 1000-1200 МВт у Китаї у 2023 році, збільшившись майже втричі порівняно з 350 МВт у 2022 році. Очікується, що у 2026 році загальна виробнича потужність перовскітних елементів у Китаї перевищить 25 ГВт, а обсяг виробництва перовскітних елементів та обладнання перевищить 40 млрд. юанів та 10 млрд. юанів, відповідно, у 2026 році. За найоптимістичнішими прогнозами, ринкова вартість обладнання для перовскітних осередків у Китаї досягне 83,6 млрд. юанів до 2030 року.
Виробничі потужності в Китаї вражають, чи випередить комерціалізація виробництва перовскіту в масштабах ГВт?
Деякі китайські експерти вважають, що "здорова галузь повинна дотримуватися закону власного розвитку, відповідно до технічного вдосконалення та попиту з боку споживачів", а не розширюватися без достатньої підтримки у вигляді досвіду або технологій, тому "не потрібно випереджати графік". Тим часом, для виробників перовскітних фотоелектричних продуктів вкрай важливо оптимізувати пілотні лінії до 100 МВт протягом 2-3 років, оскільки досвід та модернізоване обладнання важливі для майбутнього будівництва перовскітних виробничих ліній у масштабі ГВт.