Rendement zonnecel boven de 30%
Onderzoeksgroep met Belgische inbreng bereikt mijlpaal
Het rendement is een belangrijke factor voor een zonnepaneel, zeker nu energie-efficiëntie zo hoog op de agenda staat. Er wordt ondertussen al jaren hoogwaardig onderzoek uitgevoerd rond deze materie, met mooie resultaten tot gevolg. Zo slaagde een onderzoeksgroep van TNO, TU Eindhoven, imec/EnergyVille en TU Delft er onlangs in om de barrière van 30% te slopen met een cel op basis van Perovskiet. Dr. Tom Aernouts doet het verhaal.
Dr. Tom Aernouts: “Waarom dergelijk rendement nodig is? Wel, daar zijn wel enkele stevige argumenten voor. Onze mobiliteit verandert bijvoorbeeld snel. Elektrische fietsen en steps zijn al volop in het straatbeeld aanwezig en hybride- en elektrische auto's winnen snel aan marktaandeel. Hierdoor ontstaat bijvoorbeeld vanuit de auto-industrie een sterke interesse om zonnecellen in het dak of andere auto-onderdelen te integreren. Dit zorgt er niet alleen voor dat auto-elektronica of airconditioning minder van het primaire batterijvermogen nodig heeft, maar een zeer efficiënt zonnedak kan ook een aanzienlijk groter bereik mogelijk maken. Met het beperkte oppervlak dat op de auto beschikbaar is, moet de efficiëntie van de energieomzetting van het geïntegreerde zonnepaneel maximaal worden geoptimaliseerd.”
Focus op tandemcellen
“Dit soort evoluties ondersteunen de groeiende interesse in tandemcellen: dit zijn zonnecellen gemaakt door twee of meer cellen op elkaar te stapelen en zo een rendement te bereiken dat hoger is dan de individuele technologieën samen. Omdat zonnecellen met fotoabsorbers met een bredere bandgap hogere spanningen genereren, worden de warmteverliezen in tandemzonnecellen aanzienlijk verminderd in vergelijking met traditionele zonnecellen die hetzelfde aantal fotonen absorberen. Het rendement van tandemcellen ligt bijgevolg een stuk hoger.”
“Een voor de hand liggende vereiste is dat het materiaal van de bovenste cel transparant is voor het licht dat het niet omzet in elektrische energie. Een extra boost wordt gegeven als de materialen in de tandem elk gevoelig zijn voor een ander deel van het lichtspectrum, zodat ze niet op elkaars conversiepotentieel zoeken. Het materiaal dat de kortste golflengten vangt (bv. blauw en groen) zal dan bovenop liggen, terwijl het onderste materiaal de langere golflengten (bv. rood en nabij-infrarood) omzet.”
Prijs nog een hinderpaal
“Tandemzonnecellen worden vandaag al veel gebruikt voor ruimtetoepassingen. Dergelijke tandemzonnecellen hebben een hoge complexiteit en zijn te duur om op grote schaal te vervaardigen. Voor commerciële toepassingen zijn de productiekosten van grote invloed op de mate van implementatie.
... maar er is vooruitgang
“Momenteel wordt de pv-markt gedomineerd door zonnecellen van kristallijn silicium. Het toevoegen van een goedkope absorber bovenop de c-Si, wat resulteert in een zeer efficiënte tandemzonnecel, is een veelbelovende piste om de levelised cost of electricity (LCOE) nog verder te verlagen. Tot een paar jaar geleden was er een gebrek aan efficiënte, goedkope zonnecellen die konden worden gebruikt in een tandemconfiguratie met bestaande pv-technologieën. De komst van perovskietzonnecellen en hun snelle groei hebben deze impasse echter sterk veranderd.”
Tegenwoordig wordt de term perovskiet gebruikt om alle verbindingen aan te duiden met een kristalstructuur vergelijkbaar met CaTiO3. Perovskieten zijn een veelbelovend materiaal om hoogwaardige tandemcellen te maken. Ze kunnen worden verwerkt tot dunne, flexibele, (semi) transparante modules die een hoog omzettingsrendement kunnen bereiken. Ze zijn goedkoop te produceren dankzij de goedkope materialen en de afzetting die bij kamertemperatuur kan worden gedaan. Dit weerspiegelt zich ook in een terugverdientijd van energie die tot tien keer korter zou kunnen zijn dan de huidige industriële Si pv-modules.
'Een hoog rendement maakt het mogelijk om meer vermogen per m² en minder kosten per kWh te realiseren'
Richting 30% ... en meer?
“Voor perovskietcellen met enkele junctie werd al eerder een energieconversie-efficiëntie (PCE) van meer dan 25% gerapporteerd. Later leidde de tandem van een perovskietcel bovenop een siliciumbodemcel tot een efficiëntie van 29,15%. Onlangs slaagden we er in om de magische barrière van 30% te bereiken. Zo'n hoog rendement maakt het mogelijk om meer vermogen per m² en minder kosten per kWh te realiseren.“
Hogere vermogensdichtheid
“Het voordeel van dat stijgend rendement is duidelijk: de hoge vermogensdichtheid zal meer kansen creëren om deze zonnecellen te integreren in constructie- en bouwelementen, zodat meer bestaande oppervlakken kunnen worden bedekt met pv-modules. Het doorbreken van de 30%-barrière is dan ook een grote stap in het versnellen van de energietransitie en het verbeteren van de energiezekerheid, omdat we zo minder afhankelijk worden van fossiele brandstoffen.”
Meerdere combinaties mogelijk
Zowel commerciële PERC-technologie als hoogwaardige technologieën zoals heterojunctie-, TOPCon- of dunnefilmtechnologie zoals CIGS kunnen in een tandem worden toegepast zonder noemenswaardige wijzigingen aan de zonnecellen. Bovendien maakt de architectuur met vier terminals het eenvoudig om bifaciale (tweezijdig licht invangende) tandems te implementeren, die de energieopbrengst verder verhogen.
Onderzoekers uit Nederland en België hebben de efficiëntie van de semi-transparante perovskietcellen weten te verbeteren naar 19,7%. “Dit type zonnecel heeft een hoogtransparant achtercontact waardoor meer dan 93% van het nabij-infrarode licht de onderste module bereikt. Dit resultaat wordt bereikt door eerst alle lagen van de semi-transparante perovskietzonnecellen te optimaliseren met behulp van geavanceerde optische en elektrische simulaties, als leidraad voor het experimentele werk in het laboratorium”, aldus dr. Mehrdad Najafi van TNO. “De siliciummodule is een 20 x 20 mm2 grote heterojunctiezonnecel met geoptimaliseerde oppervlaktepassivatie, transparante geleidende oxides en verkoperde voorzijdecontacten voor state-of-the-artgeleiding van elektrische lading”, zegt Yifeng Zhao, promovendus aan de TU Delft. De optisch onder het perovskiet liggende siliciummodule draagt met 10,4% efficiëntiepunten bij aan de totale conversie van zonne-energie. Gecombineerd is de conversie-efficiëntie van deze ‘non-area matched’ 4T-tandems die onafhankelijk werken 30,1%.
Toekomst van 4T tandem-pv-modules
Dat is nog niet alles. Het combineren van deze hoogtransparante perovskietcel met andere, op silicium gebaseerde technologieën zoals achtercontact (“Metal Wrap Through”- en ” Interdigitated Back Contact”)-cellen en TOPCon-zonnecellen heeft eveneens conversie-efficiëntiewaarden opgeleverd die de 30% benaderen. Dit bewijst het potentieel van deze flexibele, hoogtransparante perovskietzonnecellen om te worden gecombineerd met uiteenlopende, reeds gecommercialiseerde technologieën.”
"Deze indrukwekkende resultaten bevestigen het grote potentieel van de perovskiettechnologie om de prestaties in een dergelijke tandemconfiguratie aanzienlijk te verhogen," zegt Dr. Tom Aernouts, hoofd van het imo-imomec Thin-Film PV Technology team, vanuit hun labo in EnergyVille. "Nu zullen we ons richten op het opschalen van deze tandem naar grotere afmetingen, die relevant zullen worden voor de pv-industrie. We hebben al perovskietzonnepanelen tot 35 x 35 cm² gedemonstreerd, evenals 4T-tandemmodules van vergelijkbare grootte. We hopen de industriële schaalbaarheid van deze resultaten op korte termijn te bevestigen."
Met medewerking van het imo-imomec Thin-Film PV Technology team
