Perovskiet gebaseerde zonnecellen: jonge technologie, hoog rendementpotentieel

Enkele jaren geleden werd voor perovskiet-zonnecellen al aangetoond dat ze net zo efficiënt kunnen worden als traditionele kristallijn silicium (c-Si)zonnecellen. De verwachtingen ten aanzien van deze dunnefilm pv-technologie zijn dan ook hoog. Alles wijst er bovendien op dat deze perovskiet-zonnecellen een goede tandem met de c-Si zonnepanelen kunnen vormen.

De verwachting is dat deze tandemcombinatie kosteneffectieve zonnepanelen kunnen opleveren met rendementen van boven de dertig procent. Het theoretisch maximale rendement voor tandems ligt zelfs boven 40%.

VOORDELEN VAN PEROVSKIET

Het gebruik van perovskiet als halfgeleider in pv-modules heeft belangrijke voordelen.

• De grondstoffen om deze halfgeleider perovskiet te maken zijn heel goedkoop.
• Verder is er maar een heel dun laagje perovskiet nodig in een zonnecel. Dit betekent nog lagere materiaalkosten.
• Perovskiet kan worden aangebracht met een relatief eenvoudig depositieproces (het aanbrengen van de laagjes op een bepaalde ondergrond, het substraat), waardoor geen dure machines nodig zijn.
• De laagjes perovskiet kunnen bij lage temperaturen worden gedeponeerd wat de productiekosten ook laag houdt.
• Bovendien is er relatief weinig energie nodig om een perovskiet-cel te maken en zo verdient de zonnecel snel de energie terug die nodig was om de cel te maken.

Met de huidige status van de perovskiet-zonneceltechnologie kan op glas of folie in principe eenzelfde modulerendement gehaald worden als met andere technologie. Binnen het samenwerkingsverband Solliance met TNO als belangrijke partner hebben we al een modulerendement van 16% kunnen aantonen met gebruik van opschaalbare productieprocessen. De ambitie is een module-efficiëntie van 18-20% aan te tonen in 2023. Dit gegeven en het feit dat het maakproces heel goedkoop kan zijn, zou voor een paradigma kunnen zorgen in de 'zonnecelwereld'.

Net als CIGS kan perovskiet worden toegepast op glas, maar ook op flexibele folies. Die kunnen op hun beurt weer worden geïntegreerd in tal van producten, zoals autodaken of gevelbeplating. Als een doorzichtig substraat gebruikt wordt zoals glas of plastic, kunnen de perovskiet-gebaseerde zonnecellen ook semi-transparant gemaakt worden. Dit kan dan bijvoorbeeld in venstertoepassingen.

Transparantie is ook nodig voor de veelbelovende toepassing van perovskietzonnecellen in de zogenoemde tandemtechnologie. In combinatie met Si-zonnecellen kan het rendement in principe tot boven de dertig procent uitkomen.

ONS PEROVSKIET-ONDERZOEK

TNO heeft, in samenwerking met Solliance partners o.a. TU/e en imec, de technologie en de apparatuur in huis om de opschaalprocessen van perovskiet pv-modules te ontwikkelen en aan te tonen, zowel sheet-to-sheet als roll-to-roll. Hiervoor is er nog veel onderzoek en ontwikkeling nodig.

Betere efficiëntie

Belangrijke aspecten daarbij zijn betere efficiëntie en meer stabiliteit. We streven naar pv-modules met een zo hoog mogelijke energieopbrengst. Daarvoor is het nodig te begrijpen welke factoren effect hebben op het rendement en hoe die te beïnvloeden zijn.

Meer stabiliteit

Daarnaast is meer stabiliteit van belang: zonnecellen en de modules moeten stabiel zijn als ze gebruikt worden. Dit betekent dat het vermogen van de module bij gebruik na twintig jaar niet meer dan twintig procent relatief mag dalen. De factoren die de stabiliteit nadelig kunnen beïnvloeden zijn water, lucht, temperatuur, elektrische invloed van het pv-systeem, soms zelfs licht en bijna altijd een ingewikkelde combinatie van deze factoren. Daarom zoeken we steeds naar de oorzaken van mogelijke instabiliteit en proberen die oorzaken weg te nemen door andere materialen en andere processen te gebruiken.

Een nadeel van perovskiet is bijvoorbeeld dat het slecht tegen water kan. Dat stelt hoge eisen aan de barrièrelaag, de beschermlaag van pv-modules. We hebben goede resultaten geboekt met Atomic Layer Deposition (ALD). Door deze technologie toe te passen voor de binnenste lagen, is een minder sterke barrièrelaag nodig om de modules vochtbestendig te maken. In 2020 hebben we aangetoond dat perovskiet stress-testen kan doorstaan die ook worden gebruikt om commerciële modules te testen.

Verlagen hoeveelheid lood

De huidige generatie van perovskiet pv-modules bevat een geringe hoeveelheid lood; ongeveer een halve gram per vierkante meter. Omdat na een mogelijke beschadiging van een zonnepaneel lood in het milieu zou kunnen komen, wordt onderzocht hoe groot die schadelijke invloed is en hoe die kan worden beperkt. TNO brengt in samenwerking met andere Solliance partners de mogelijke risico’s in kaart en onderzoekt alternatieven met als doel het gebruik van lood te voorkomen.