Perovskietzonnecellen

Wat is een perovskietzonnecel?

Het hart van een perovskietzonnecel wordt gevormd door de absorptielaag. Die bestaat uit een materiaal met een kristalstructuur die zonlicht absorbeert en dit gedeeltelijk omzet in een stroom van elektrische ladingen. We noemen deze ladingen elektronen (negatief geladen) en gaten (positief geladen).

De perovskietlaag is aan de onder- en bovenzijde omgeven door laagjes transportmateriaal die maar één van de twee soorten lading doorlaten: elektronen, of gaten. Door dat ladingstransport ontstaat er een spanningsverschil. De laag die elektronen accepteert wordt negatief, de laag die gaten accepteert wordt positief. Om de elektrische stroom goed af te kunnen voeren worden de transportlagen bedekt met geleidende elektrodes.

Minstens één van deze elektrodes (de voorkant van de zonnecel) is lichtdoorlatend. De stapel van laagjes is ongeveer 1 micron - een duizendste millimeter. Zo kunnen perovskietzonnecellen als hele dunne laagjes worden aangebracht op allerlei soorten ondergrond: glas, folie of een andere zonnecel.

Voordelen van perovskiet

Wat maakt de belofte van het gebruik van perovskiet in zonnecellen zo groot?

• De grondstoffen voor perovskieten zijn niet schaars, ze worden op vele plekken op de wereld gevonden.
• Dat maakt ze ook goedkoop.
• Er is slechts een heel dun laagje perovskiet nodig (tussen de 0,5 en 1 micrometer) om een zonnecel te maken. Dat bespaart grondstoffen en maakt ze nog goedkoper.
• Het productieproces waarbij perovskiet op een ondergrond wordt aangebracht is eenvoudig en het kan bij lage temperaturen. Hierdoor kost het minder energie om ze te maken en blijven de productiekosten laag.

Van lab naar fab

Er is geen zonne-energietechnologie die zich zo snel heeft ontwikkeld als perovskiet. Inmiddels overtreft de efficiency van perovskietzonnecellen die van dunne-filmtechnologieën zoals CdTe (cadmium telluride) en CIGS (koper indium gallium selenide). Het rendement van perovskietzonnecellen ontloopt dat van siliciumzonnecellen nog maar weinig. Daarmee zijn ze mogelijk een opvolger van de technologische standaard van nu.

In combinatie met siliciumzonnecellen - door ze de stapelen in twee lagen - zijn de resultaten al helemaal indrukwekkend. De efficiency van deze tandems nadert 35 procent. Dat is een revolutie in zonne-energietechnologie. Al die prestaties zijn echter behaald in laboratoria en met kleine zonnecellen. De opschaling naar volwaardige commerciële perovskietzonnepanelen kent nog vele uitdagingen. TNO gaat die volop aan.

Efficiency, stabiliteit en duurzaamheid

Wat is er nodig om de belofte van perovskiet waar te maken en deze technologie zo snel mogelijk naar de markt te brengen?

De record-zonnecellen worden in een laboratorium gemaakt. Die ontwikkeling is de afgelopen jaren in een stroomversnelling gekomen. Maar de industriële maakbaarheid van perovskietzonnecellen moet beter. Er moeten processen worden ontwikkeld om op grote schaal en met behoud van efficiëntie grotere modules te kunnen maken.

Een ander belangrijk onderzoeksthema is levensduur en stabiliteit. Onze doelstelling is dat het vermogen van een perovskietzonnepaneel gedurende 20 jaar niet meer dan 20 procent afneemt. Dat is nog niet aangetoond in de praktijk. Er is ook nog veel winst te boeken op dit vlak. Zo zijn perovskietzonnecellen gevoelig voor water en zuurstof. Daarom is maximale bescherming van pv-modules cruciaal.

Een derde uitdaging betreft duurzaamheid. De perovskietmodules van dit moment bevatten ongeveer een halve gram lood per vierkante meter. Dat is niet veel. Maar je wilt te alle tijden voorkomen dat het in het milieu terecht komt, en liever nog, het gebruik helemaal uitbannen. Daarnaast is het optimaal kunnen recyclen van grondstoffen als producten aan het eind van hun leven zijn van groot belang. TNO stemt het ontwerp van perovskietzonnepanelen hierop af.

Wat doet TNO?

TNO speelt sinds jaar en dag in de internationale voorhoede van de ontwikkeling van zonnecellen en –modules. We zijn bovendien zeer sterk in de industrialisatie van die innovaties. Vele grote bedrijven hebben onze technologie in productie gebracht. Vanaf 2014 richten we ons daarbij ook volop op perovskietzonnecellen. TNO creëert steeds efficiëntere, stabielere perovskietzonnecellen en -modules, en hoogwaardige productieprocessen om die in massa te kunnen maken. Kostenefficiency en circulair design zijn daarbij belangrijke aandachtspunten. Ons onderzoek kent inmiddels vele hoogtepunten.

Enkele mijlpalen

• In 2021 realiseerde het Nederlands-Belgische dunnefilm onderzoekscluster Solliance (onder andere opgericht door TNO) een hoog nabij infrarood transparante perovskietzonnecel met een efficiëntie van 18,6 procent. Deze combineerden we met diverse soorten siliciumzonnecellen wat tot rendementen van 27,7 tot 28,7 procent leidde.
• In 2022 volgde een nieuw wereldrecord: een 4-terminal perovskiet-siliciumtandemzonnecel met een efficiency van 30,1 procent. Die ontwikkelden we samen met TU/e, imec en TU Delft.
• Het optimaal inpakken van perovskietmodules is cruciaal om degradatie te minimaliseren. TNO past Atomic Layer Deposition (ALD) toe om een transportlaag aan te brengen. Deze werkt naast transportlaag ook als een barrièrelaag. Hiermee maken we de zonnecellen meer vochtbestendig. In 2020 en 2021 hebben we aangetoond dat rigide en flexibele perovskietmodules stress-testen doorstaan die we ook gebruiken om commerciële modules te testen.
• TNO nam in 2022 een roll-to-roll-productielijn voor zonnelaminaten in gebruik. Deze ontwikkelden we onder andere samen met bedrijven, waaronder MAAN en Duflex. Hiermee kunnen in principe ook flexibele perovskietmodules in een doorlopend productieproces worden gelamineerd, en wel kostenefficiënt, in allerhande vormen een maten en in grote aantallen. Deze kunnen worden gebruik in allerhande geïntegreerde PV-toepassingen, bijvoorbeeld in gebouwen, infrastructuur en voertuigen. Dit help ook bij de maatschappelijke acceptatie van zonnepanelen. En het past in onze toekomstvisie: “PV everywhere”.
• In 2025 hebben Solarge en TNO een prototype perovskietzonnepaneel ontwikkeld in een unieke polymeerconstructie. De lichtabsorberende laag in het zonnepaneel komt onder andere van het roll-to-rollproductieproces voor perovskieten, een techniek waarin TNO wereldwijd een sterke positie inneemt. De verdere opbouw van het zonnepaneel bestaat uit verschillende lagen polymeren: een zogenaamde organosandwich backsheet, encapsulanten en een frontsheet die een lange levensduur garanderen. Dit maakt de weg vrij voor duurzamere zonnepanelen met extreem lage CO2-uitstoot die lokaal geproduceerd kunnen worden.

Samen

Naast autonoom onderzoek naar perovskiet, zoekt TNO vooral de samenwerking met kennisinstellingen en bedrijven om deze technologie volwassen te maken. We nemen deel aan diverse regionale, nationale en internationale innovatieprogramma’s en -projecten.

Met de provincie Noord-Brabant werken we aan de combinatie van roll-to-roll productie van flexibele perovskiet modules en roll-to-roll verwerking van de perovskietmodules tot flexibele PV-halffabricaten. Die kunnen geïntegreerd worden in nieuwe PV-producten zoals façade-elementen, daken, geluidswallen en de carrosserie van voertuigen.

Verder zijn we betrokken bij het consortium SolarNL. Dat werkt met steun van het Nationaal Groeifonds aan de grootschalige productie van zonnecellen en zonnepanelen in ons land, onder andere flexibele perovskietfolies.

Binnen het SuPerTandem-project zet TNO samen met diverse Europese partners een flinke stap naar de massaproductie van betaalbare circulaire perovskiet-perovskiet tandemmodules.

Nog zo’n voorbeeld is VIPERLAB. Dit onderzoeks- en innovatieproject verenigt de Europese crème de la crème in perovskietonderzoek – 9 wetenschappelijke topinstituten. Samen geven we een boost aan het marktklaar maken van perovskietzonnepanelen.