ECN part of TNO en partners doorbreken de opbrengstgrens van standaard zonnecellen

Belang

ECN part of TNO en de Solliance-partners hebben diepgaande expertise op het gebied van diverse zonneceltechnologieën die geschikt zijn voor tandem-PV toepassingen, en zijn wereldleider in het ontwikkelen en opschalen van tandem-PV ontwerpen die geschikt zijn voor industrialisatie.
De hoge prestaties van de tandem-PV technologie dragen bij aan het verlagen van de opwekkosten van zonnestroom en zijn een essentiële factor voor het verminderen van het benodigde oppervlak voor opwekking. Beide aspecten zijn belangrijk dragen voor de transitie naar een samenleving die voornamelijk gebruik maakt van hernieuwbare energie, en daarmee de CO2-uitstoot vermindert.

De combinatie van verschillende soorten zonnecellen in een PV-tandemmodule maakt een fundamenteel beter energie-omzettingsrendement mogelijk dan wat haalbaar is met slechts één celtype. Dankzij de combinatie van een cel die geoptimaliseerd is voor hoge-energiefotonen met een andere cel die geoptimaliseerd is voor lage-energiefotonen, kan meer elektrische energie uit zonlicht worden gehaald. Bovendien absorbeert het nieuwe ontwerp gelijktijdig het beschikbare licht aan beide zijden. Het samenvoegen van deze twee voordelen in één celontwerp leidt tot een uitzonderlijk hoge energieopbrengst.

Verbeterde omzetting van zonlicht

Industriële silicium zonnecellen hebben veelal een rendement variërend 20% tot 22%, met uitschieters tot 25% voor bijzondere ontwerpen. Het theoretische maximumrendement voor (laboratorium) silicium zonnecellen is 29,4%, terwijl de praktische rendementsgrens voor industriële silicium zonnecellen wordt geschat op ongeveer 26%. Om het rendement boven deze grens te krijgen, hebben ECN part of TNO en haar partners twee technologieën gecombineerd om licht nog effectiever om te zetten in zonnestroom. Het team heeft dit bereikt door een nieuw ontwikkelde perovskiet-zonnecel op een industriële tweezijdig werkende kristallijnsiliciumzonnecel te plaatsen en deze te integreren in een nieuw celontwerp dat licht van beide kanten oogst: een tweezijdig werkende tandemzonnecel.

Tweezijdig werkende PV-panelen zijn al commercieel verkrijgbaar en te zien in verschillende “vlaggenschipprojecten” in Nederland, zoals de in het project Solar Highways onlangs gelanceerde geluidsschermen. In veel praktische toepassingen, waaronder grote PV-centrales, verhoogt gereflecteerd en diffuus licht uit de omgeving de jaarlijkse elektriciteitsproductie van tweezijdig werkende zonnepanelen aanzienlijk, resulterend in tussen de 10 en 30% (relatief) meer opwekking ten opzichte van de opbrengst van enkelzijdig werkende panelen. Omdat het invallende licht aan de voor- en achterzijde van het paneel van nature varieert in de loop van de dag en van seizoen tot seizoen, moeten tweezijdig werkende tandemcellen in staat zijn om zich door hun elektrische ontwerp hierop in te stellen. De hier voorgestelde tandemconstructie heeft vier elektrische aansluitingen (twee per cel), waardoor de instelling van de bovenste en onderste cellen apart kan worden geoptimaliseerd van een maximale energieopbrengst.

Vergelijking van enkelzijdig en tweezijdig werkende cellen

Een vergelijking van de prestaties van enkelzijdig en tweezijdig werkende cellen en panelen is niet eenvoudig te maken, omdat veel variabelen, zoals de locatie en oriëntatie van het PV-systeem, een significante invloed hebben op de energieopbrengst. Een praktische benadering is via het concept van 'tweezijdig-equivalent rendement', d.w.z. het rendement van een enkelzijdig werkende cel dat nodig zou zijn om dezelfde (jaarlijkse) hoeveelheid energie op te wekken als de tweezijdige variant, onder dezelfde bedrijfsomstandigheden. De gangbare praktijk om het equivalente rendement voor tweezijdige ontwerpen te bepalen is het onder standaard testcondities (STC) meten van het zonnepaneel aan de voorzijde en het daarbij optellen van het effect van 20% van diezelfde belichting aan de achterzijde. Via deze methode is het tweezijdig-equivalente rendement van onze tweezijdig werkende tandem 30.2%, waarmee de grens voor enkelzijdig werkende silicium zonnecellen wordt overschreden. Onze technologieroadmap heeft als doel dit de komende 3 tot 5 jaar te verhogen tot 35%.

Ter vergelijking: een enkel op silicium gebaseerde cel, onder gelijke omstandigheden, levert een equivalent rendement op van slechts 26%. "Het bereiken van de 30%-drempel is de eerste belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van de tweezijdig werkende tandem", verklaart Gianluca Coletti - Program Manager Tandem Technology bij ECN part of TNO. "Ons volgende doel is om te werken aan de schaalbaarheid, integratie en betrouwbaarheid van deze technologie. We willen de time-to-market verkorten en daarom werken we samen met onze partners om deze gereed te maken voor massaproductie.

Dit resultaat is mede tot stand gekomen in samenwerking met de volgende partners: Choshu Industry Co., Forschungszentrum Jülich, imec, en Technische Universiteit Eindhoven