Entwicklungsstand und Vorschläge zur Perowskit-Photovoltaik-Technologie

Als aufstrebende Photovoltaik-Technologie der dritten Generation haben Perowskit-Solarzellen ihren photoelektrischen Wirkungsgrad seit ihrer Markteinführung 2009 in nur gut zehn Jahren von 3.8 % auf 25.7 % gesteigert. Da der Wirkungsgrad kristalliner Silizium-Solarzellen sich allmählich der theoretischen Grenze nähert, rücken hocheffiziente und kostengünstige Perowskit-Zellen immer stärker in den Fokus der globalen Photovoltaik-Industrie. Parallel zur intensiven akademischen Forschung wurden auch bei der Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik kontinuierliche Fortschritte erzielt. Als weltweit größter Photovoltaik-Produzent nimmt mein Land seit Langem eine führende Position im Bereich der kristallinen Silizium-Photovoltaik ein; im aufstrebenden Feld der Perowskit-Photovoltaik befindet es sich auf Augenhöhe mit anderen Ländern. Um meinem Land in der Anfangsphase der Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik einen Vorsprung zu verschaffen, ist es notwendig, die vielfältigen Anstrengungen von Regierung, Industrie, Universitäten, Forschung und Anwendung zu koordinieren, eine Reihe fortschrittlicher Technologien einzuführen, um das Massenproduktionsniveau der Perowskit-Photovoltaik zu verbessern, die Entwicklung von Demonstrations- und Demonstrationsanwendungen zu beschleunigen und rechtzeitig ein Perowskit-Photovoltaik-Standardsystem aufzubauen, um sicherzustellen, dass der Industrialisierungsprozess der Perowskit-Photovoltaik-Technologie vollständig unabhängig und nachhaltig ist.

Perowskit-Solarzellen nutzen Halogenide mit Perowskitstruktur als lichtabsorbierende Schichtmaterialien. Diese zeichnen sich durch eine einstellbare Bandlücke, einen hohen Lichtabsorptionskoeffizienten, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten, geringe Dicke und Flexibilität aus und gelten derzeit als vielversprechendste neue Technologie für großflächige Anwendungen. Nach über zehn Jahren Forschung haben sich die grundlegenden Prinzipien, Materialzusammensetzungen und Wege zur Leistungsoptimierung der Perowskit-Photovoltaik allmählich herausgebildet. Gleichzeitig bilden die Massenproduktion von kristallinen Silizium-Photovoltaikzellen und -modulen sowie die vollständige Lokalisierung der Produktionsanlagen eine wichtige Grundlage für die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik-Technologie. In den letzten Jahren haben Forschungs- und Entwicklungsteams von Universitäten, Forschungsinstituten und Herstellern von Zellen, Modulen und Anlagen im Bereich der kristallinen Silizium-Photovoltaik verstärkt in die Forschung und Entwicklung der Perowskit-Photovoltaik-Technologie investiert. Dabei wurden bedeutende Fortschritte bei Photovoltaikmodulen und Produktionsanlagen für Perowskitmodule erzielt.

Die hohe Effizienz ist der überzeugendste Vorteil von Perowskit-Solarzellen. Der theoretische Wirkungsgrad von Perowskitzellen liegt bei 33 % und ist damit deutlich höher als der von kristallinen Siliziumzellen mit 29.4 %. Durch die Optimierung der Komponenten, der Mikrostruktur und des Herstellungsverfahrens der Batterie konnte der Wirkungsgrad von im Labor hergestellten Perowskit-Batterien immer wieder gesteigert werden. Im Juli 2022 erreichte die vom Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Perowskit-Batterie einen zertifizierten Wirkungsgrad von 25.6 % und liegt damit nur hinter dem Weltrekord von 25.7 %, der 2021 vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Südkorea aufgestellt wurde.

Der spektrale Ansprechbereich von Perowskit-Batterien liegt im Bereich von 300–800 Nanometern, also im sichtbaren Lichtspektrum. Kristalline Silizium-Batterien, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)-Batterien usw. hingegen können Infrarotlicht absorbieren und nutzen. Durch die Kombination von Perowskit-Zellen mit kristallinem Silizium, CIGS und anderen Zellen zu einer Schichtzelle lässt sich das Licht in jedem Spektralbereich optimal nutzen und ein höherer photoelektrischer Wirkungsgrad erzielen. Die Perowskit-Zelle selbst kann ihren Absorptionsbereich durch Anpassung der Bandlücke verändern. Die Kombination von Perowskit-Zellen mit großer und kleiner Bandlücke zu gestapelten Zellen ermöglicht eine signifikante Steigerung des photoelektrischen Wirkungsgrads. Im Juni 2022 entwickelte die Universität Nanjing eine Perowskit/Perowskit-Stapelbatterie mit einem Wirkungsgrad von 28.0 % und stellte damit einen neuen Weltrekord auf.

Flexible Perowskit-Batterien und Perowskit-Batterien für den Innenbereich, die sich für Anwendungen in Gebäuden, tragbaren Geräten und Konsumgütern eignen, sind aktuelle Forschungsschwerpunkte. Die von der Tsinghua-Universität entwickelte flexible Perowskit-Batterie erreichte einen Wirkungsgrad von 23.6 % und stellte damit einen neuen Weltrekord auf. Den weltweit höchsten Wirkungsgrad für Perowskit-Batterien im Innenbereich hält derzeit die Shaanxi Normal University. Bei einer Beleuchtungsstärke von 824.5 Lux im Innenraum beträgt der Wirkungsgrad der Batterie beachtliche 40.1 %.

Die Forschung meines Landes an Perowskit-Solarzellen entwickelt sich im gleichen Tempo wie weltweit, und mehrere Forschungsteams zählen zu den international führenden. Die erfolgreichen Ergebnisse der Laborforschung haben eine solide theoretische Grundlage für die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik in meinem Land geschaffen. Wissenschaft und Industrie arbeiten eng zusammen, um die Überführung der Forschungsergebnisse in die marktfähige Produktionstechnologie kontinuierlich voranzutreiben.

Perowskit-Photovoltaikmodule sind Dünnschichtmodule, die durch sukzessives Aufbringen verschiedener Perowskit-Dünnschichten auf Glas und deren anschließende Verkapselung hergestellt werden. Die Lochtransportschicht, die Elektronentransportschicht, die Gegenelektrode und weitere Dünnschichten der Batterie werden üblicherweise im Vakuumverdampfungsverfahren aufgebracht, während die Herstellung der Perowskit-Absorptionsschicht in Nass- und Trockenverfahren unterteilt wird. Das typische Nassverfahren, wie beispielsweise die Schlitzbeschichtung, zeichnet sich durch einen relativ einfachen Anlagenaufbau aus und ermöglicht die einfache Vergrößerung der Beschichtungsfläche der Batterieschicht von Millimetern im Labormaßstab auf mehrere Zentimeter. Daher wird es derzeit in den meisten Testproduktionslinien eingesetzt. Da jedoch die Vergrößerung der Modulfläche höhere Anforderungen an die Schichtqualität stellt, eignen sich Trockenverfahren wie die Vakuumverdampfung möglicherweise besser für die Massenproduktion großflächiger Module mit einer Breite von über einem Meter.

Aufgrund der Schwierigkeiten bei der Qualitätskontrolle großflächiger Dünnschichten sinkt der Wirkungsgrad mit zunehmender Fläche der Perowskitkomponente. Derzeit erreichen kleine Module mit einer Fläche von wenigen zehn Quadratzentimetern einen Wirkungsgrad von über 20 %, Module mit einer Fläche von mehreren hundert Quadratzentimetern 18 %, während Module mit einer Fläche von mehr als 0.1 Quadratmetern nur etwa 16 % erreichen. Es zeigt sich, dass der Wirkungsgrad großflächiger Perowskitkomponenten für großflächige Anwendungen noch verbessert werden muss.

Die vorläufig fertiggestellten und im Bau befindlichen Produktionslinien für Perowskit-Komponenten sind allesamt Testlinien mit einer Leistung von maximal 100 Megawatt. Die Perowskit-Absorptionsschicht wird im Nassverfahren aufgebracht. Aufgrund der produktionslinienähnlichen Bedingungen, die der Massenproduktion ähneln, wird eine schnelle Optimierung der Materialrezeptur, des Produktionsprozesses und der Produktspezifikation der Komponenten erwartet.

Der Hauptunterschied zwischen Perowskit/kristallinem Silizium-Schichtsystemkomponenten und herkömmlichen Perowskit-Komponenten besteht darin, dass der Perowskit-Zellfilm nicht direkt auf das gesamte Glas, sondern auf die kristalline Siliziumzelle aufgebracht wird. Einerseits reduziert die kleinere Filmfläche die Anforderungen an die Größe der Beschichtungsanlagen, und die Anbindung an die Produktionslinie für kristalline Siliziumzellen trägt ebenfalls zur Senkung der Produktionskosten bei. Andererseits erfordert die Verbindung der Perowskit-Zellen mit den kristallinen Siliziumzellen eine präzise Anpassung der Spaltbreiten, was die Batteriekonstruktion erschwert. Derzeit liegt der höchste Wirkungsgrad von im Labor hergestellten 20 Quadratzentimeter großen Perowskit/kristallinen Silizium-Schichtmodulen bei 26.63 %. Bislang wurde jedoch noch keine Pilotlinie für Perowskit-Schichtmodule fertiggestellt und in Betrieb genommen.

Aufgrund der leichten, dünnen und lichtdurchlässigen Eigenschaften von Perowskit-Batterien entwickeln einige Forschungseinrichtungen und Hersteller flexible und farbige Komponenten. Diese Spezialkomponenten sollen in tragbaren Geräten, im Bauwesen und anderen Bereichen Anwendung finden.

Die Stabilität von Perowskit-Solarzellen stellt die größte Herausforderung für deren praktische Anwendung dar. Unter dem Einfluss äußerer Bedingungen wie Wasserdampf, hohen Temperaturen und ultravioletter Strahlung neigen Perowskit-Batterien zu Degradation und ihre Leistung wird erheblich beeinträchtigt. Es gibt zwei Hauptmaßnahmen zur Verbesserung der Stabilität von Perowskit-Batterien: die Optimierung der Komponenten und der Mikrostruktur der Batterie selbst sowie die Optimierung der Verpackungsmaterialien und -prozesse von Perowskit-Photovoltaikmodulen.

Einige Hersteller haben bekannt gegeben, dass die in der Testphase gefertigten Module den Stabilitätstest gemäß international anerkannten Standards der Photovoltaikindustrie, wie beispielsweise IEC 61215, bestanden haben. Darauf basierend wird vermutet, dass die Lebensdauer von Perowskit-Modulen der von kristallinen Silizium-Modulen entspricht und somit eine Lebensdauer von 25 Jahren gewährleistet werden kann. Nach einem Jahr liegt der Wirkungsgrad noch über 80 % des Ausgangswerts. Da Perowskit-Komponenten jedoch noch nicht in Serie produziert und eingesetzt werden, muss ihre Stabilität unter realen Betriebsbedingungen wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und starker Salzsprühnebelbelastung noch getestet werden.

Die Effizienz und Qualität großflächiger Perowskit-Bauteile sind gering, hauptsächlich aufgrund des begrenzten Anlagen- und Prozessniveaus der großflächigen Dünnschichtabscheidung. Anders als bei der Reihen- und Parallelschaltung mehrerer kleiner Zellen in kristallinen Siliziummodulen erreicht die Beschichtungsfläche von Perowskitmodulen Quadratmetergrößen. Derzeit besteht eine Lücke zwischen der Leistungsfähigkeit großflächiger, gleichmäßiger und kontinuierlicher Beschichtungen mit inländischen Vakuumbeschichtungsanlagen und dem internationalen Standard. Zudem gestaltet sich die Prozessoptimierung von Produktionslinien für großflächige Beschichtungen vergleichsweise schwierig.

Nach Jahren rasanter Entwicklung hat die Photovoltaikindustrie meines Landes die Lokalisierung der gesamten Produktionslinie für Anlagen im Wesentlichen erreicht. Allerdings sind einige Schlüsselkomponenten weiterhin auf Importe angewiesen. So weisen beispielsweise Vakuumpumpen, Hochfrequenz-Netzteile und Ventile in Vakuumbeschichtungsanlagen sowie Laser und Vibrationsspiegel in Laserätzanlagen hinsichtlich technischer Kennzahlen und Zuverlässigkeit große Lücken zu international führenden Herstellern auf. Obwohl sich die Anlagenhersteller für Photovoltaik-Produktionslinien meines Landes bereits frühzeitig an der Entwicklung von Perowskitmodul-Produktionsanlagen beteiligt und erste Erfolge erzielt haben, sodass die Kleinserien-, Pilot- und Serienfertigung von Perowskitmodulen in meinem Land stets einen hohen Lokalisierungsgrad aufweisen, bestehen auch in der Perowskitmodul-Produktionslinie noch Defizite bei Schlüsselkomponenten. Diese könnten sich zu einem Engpass in der Wertschöpfungskette der Perowskit-Photovoltaikindustrie meines Landes entwickeln.

Die Perowskit-Photovoltaiktechnologie, eine neue Generation von Photovoltaiktechnologien mit vielversprechenden Anwendungsmöglichkeiten im großen Maßstab, hat die Aufmerksamkeit nationaler Energie- und Technologiebehörden, der Wissenschaft, der Industrie und verschiedener Investoren auf sich gezogen. Allerdings gibt es derzeit auf dem Markt übertriebene Erwartungen und ein blindes Folgen von Trends, was die nachhaltige Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaiktechnologie beeinträchtigen könnte.

Um die effiziente und geordnete Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik-Technologie zu fördern, sollte die Regulierungs- und Steuerungsfunktion der nationalen Energie- und Wissenschafts- und Technologiebehörden voll ausgeschöpft werden, um technische Indikatoren zu formulieren und Anreizprogramme einzuführen. Ein Koordinierungsmechanismus zwischen Regierung, Industrie, Universitäten, Forschung und Anwendung ist zu etablieren, um verschiedene technische Wege sowie die breite Beteiligung verschiedener Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen und Marktteilnehmer am Industrialisierungsprozess der Perowskit-Photovoltaik-Technologie zu fördern. Das Konzept von Offenheit und Kooperation ist zu wahren, den nationalen und internationalen Austausch von Technologie, Fachkräften, Kapital usw. zu lenken und sowohl die Gewinnung als auch die Förderung internationaler Kooperationen zu unterstützen. Gleichzeitig ist die Schaffung eines umfassenden und tiefgreifend integrierten internationalen Industrieökosystems aktiv voranzutreiben. Staatliches Kapital ist zu ermutigen, die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik-Technologie in vielfältiger Weise zu unterstützen und die gesunde Entwicklung der Branche durch marktwirtschaftliche Mittel zu lenken.

Die lokalen Regierungen auf allen Ebenen sollten die Vorgaben der nationalen Politik, wie beispielsweise den „14. Fünfjahresplan für wissenschaftliche und technologische Innovationen im Energiebereich“ und den „Wissenschafts- und Technologieunterstützungsplan zur Erreichung der Klimaneutralität (2022–2030)“, ernsthaft umsetzen, um die Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik zu formulieren und zu fördern. Dabei sollten spezifische Pläne und Anreizprogramme entwickelt werden, die den Prinzipien der Wissenschaft, des Pragmatismus und der Strenge folgen und die gesunde Entwicklung der für diese Region geeigneten Wertschöpfungskette der Perowskit-Photovoltaikindustrie fördern.

Potenzielle Risiken wie Instabilität und der Austritt toxischer Metalle aus Perowskit-Photovoltaikmodulen behindern deren großflächige Anwendung. Daher ist es notwendig, die tatsächliche Leistungsfähigkeit und Sicherheit durch zahlreiche empirische Tests und Demonstrationsanwendungen so schnell wie möglich zu ermitteln, um das Anwendungsrisiko präzise einzuschätzen und die wissenschaftliche Grundlage für die Förderung und Anwendung dieser Technologie zu schaffen.

Für die reibungslose Entwicklung von Demonstrationsprojekten und Demonstrationsanwendungen von Perowskit-Photovoltaikprodukten ist die Zusammenarbeit von Anwendern und Energienetzbetreibern mit Herstellern von Perowskit-Photovoltaikprodukten, Herstellern von Photovoltaikanlagen, Prüf- und Zertifizierungsstellen, Planungs- und Bauunternehmen usw. erforderlich, um alle Aspekte der Projektdurchführung zu öffnen und ein offenes und integratives Anwendungsumfeld zu schaffen.

Um sicherzustellen, dass die Produktions- und Anwendungstechnologie von Perowskit-Photovoltaikprodukten standardisiert, systematisch, skalierbar und mit dem bestehenden Photovoltaik-Anwendungssystem kompatibel ist, sollte parallel zur Industrialisierung der Perowskit-Photovoltaik ein Standardsystem etabliert werden. Dieses Standardsystem sollte auf dem bestehenden Photovoltaik-Technologiestandardsystem aufbauen, den Anwendungsanforderungen gerecht werden, die Besonderheiten der Produktion und Anwendung von Perowskit-Photovoltaikprodukten umfassend abbilden und die kontinuierliche Weiterentwicklung der Perowskit-Photovoltaiktechnologie berücksichtigen. Dabei sollten sowohl Standardisierung als auch Flexibilität angestrebt werden.

Die Etablierung des aktuellen internationalen Normensystems für Photovoltaik geht auf die 1980er Jahre zurück. Die kristalline Silizium-Photovoltaikindustrie meines Landes, ein aufstrebender Stern, entwickelte sich im Rahmen des bestehenden internationalen Normensystems und leistete nur wenige originelle Beiträge zur Formulierung internationaler Normen. Die Beteiligung an internationalen Normungsorganisationen ist relativ gering, und das Mitspracherecht ist schwach. Im Bereich der Perowskit-Photovoltaik ist das Forschungsniveau meines Landes mit dem internationalen vergleichbar, und der Industrialisierungsfortschritt sowie der Produktionsumfang weisen einen leichten Vorsprung auf. Daher sollten wir die Gelegenheit nutzen, den Perowskit-Photovoltaikbereich meines Landes aktiv zu unterstützen, insbesondere die technischen Experten an vorderster Front der Industrialisierung. Die Internationale Photovoltaik-Normungsorganisation (IPSO) ist maßgeblich an der Formulierung von Perowskit-Photovoltaik-Normen beteiligt und strebt eine stärkere Stimme im internationalen Normensystem an, um so die internationale Wettbewerbsfähigkeit der Perowskit-Photovoltaikindustrie meines Landes zu stärken.