artikel

“Tweezijdig tandemzonnepaneel heeft de toekomst”

energie

De opbrengst van zonnepanelen kan een forse sprong maken door twee typen zonnecellen te combineren én ze dubbelzijdig te gebruiken. Onderzoekers hopen binnen een paar jaar een marktklaar concept te hebben met een combinatie van silicium- en dunne-film perovskiettechnologie.

“Tweezijdig tandemzonnepaneel heeft de toekomst”

Door Edo Beerda

Traditionele zonnecellen op basis van silicium zijn de afgelopen decennia voortdurend efficiënter en goedkoper geworden. Goed nieuws natuurlijk, maar helaas is de rek er zo langzamerhand een beetje uit.

Rendement commerciële cellen

“Het rendement van commerciële silicium pv-cellen zit nu op zo’n 22 procent. Jaarlijks groeit dat door met gemiddeld zo’n 0,4 procent. Maar verder dan 26-27 procent zullen we voor industrieel vervaardigde cellen waarschijnlijk nooit komen, mede omdat de kosten uiteindelijk onevenredig snel zullen toenemen”, vertelt onderzoeker Gianluca Coletti (TNO). “Grote vraag is dus: wat nu? Door twee verschillende types zonnecellen te stapelen tot zogenoemde ‘tandemcellen’, kunnen we voorbij de fundamentele grenzen komen waar de individuele cellen nu tegenaan lopen.”

Gaat het tweezijdige tandempaneel straks alle bestaande panelen van de markt af vegen?

De volgende generatie

Het Solliance Solar Research programma is opgezet voor de ontwikkeling van de volgende generatie ‘dunne-film’ zonneceltechnologieën. Dit samenwerkingsverband van onder andere het Nederlandse TNO en het Belgische imec loopt al jaren voorop bij de ontwikkeling van perovskiettechnologie. Aanvullend daaraan heeft het zonne-energieteam van TNO in Petten (het voormalige ECN) een sterke positie op het gebied van geavanceerde silicium zonne-technologie. Zo ontwikkelde het team in de afgelopen jaren ook een variant die aan beide zijden zonlicht kan omzetten. Dat zorgt voor meer opbrengst, omdat daarmee ook het indirecte en weerkaatste licht kan worden gebruikt voor energieopwekking. Door perovskieten te combineren met enkelzijdig werkend silicium hebben de onderzoekers samen al hoog efficiënte tandems weten te maken. Ze behoren daarmee tot de wereldtop.

Het hele zonnespectrum

Combinatie van perovskiet zonnecellen met tweezijdig werkend silicium is nieuw en maakt een nog hogere energieopbrengst mogelijk vertelt Coletti, die programmamanager Tandem Technology is in het TNO programma. “Voordeel van tandemcellen is dat de bovenste laag, het perovskiet, UV- en zichtbaar licht efficiënt omzet in energie, terwijl de onderliggende laag, het silicium, infrarood licht efficiënt omzet. De twee materialen samen zetten daarmee het hele zonnespectrum efficiënt om en benutten bovendien het licht aan voor- én achterzijde van het paneel.”

Rendement van 30 procent

De tweezijdig werkende tandemzonnecel waaraan zijn team werkt zit nu op een effectief licht-naar-elektriciteit omzettingsrendement van ongeveer 30 procent. De opbrengsteffecten van materiaalcombinatie en tweezijdigheid zijn daarbij opgeteld. Dat is ongeveer een derde beter dan de energieopbrengst van de op dit moment gebruikte industriële zonnecellen. Maar Coletti denkt dat er in het tandemconcept een totale groeipotentie zit tot wel 40 procent. Dat is een belangrijke doorbraak. Het mooie aan de twee gebruikte technologieën is dat ze beide nog lang niet aan hun limiet zitten. Tweezijdige pv-panelen dringen al door tot markt, maar het gebruik van perovskiet staat feitelijk nog in de kinderschoenen.

Er is maar heel weinig van het materiaal nodig om een goed rendement te halen

Perovskiet

Perovskiet is een veelbelovende pv-technologie omdat ze in potentie nog een stuk goedkoper kan uitpakken dan silicium. Bovendien zijn de samenstellende elementen, net als silicium, ruim beschikbaar in de natuur. Het mineraal is vernoemd naar de Russische mineraloog L.A. Perovski (1792-1856). Sinds het onderzoek naar perovskiet als pv-materiaal een jaar of tien geleden startte, is het gelukt de opbrengst ervan met tientallen procenten op te krikken. Wetenschappers ontdekten dat perovskiet eigenlijk een kristalstructuur is die zich in diverse samenstellingen laat vormen. Een interessante eigenschap is, dat er maar heel weinig van het materiaal nodig is om een goed rendement te halen. Een standaard silicium zonnecel is ongeveer 180 micrometer dik, een pv-cel gemaakt uit perovskiet hoeft slechts 1 micrometer dik te zijn. Dat maakt energie opwekken in theorie goedkoper en eenvoudiger.

Goed inpakken

Net zoals de meeste andere dunne-film zonnecellen moeten perovskiet zonnecellen goed worden ingepakt, onder meer om ze te beschermen tegen de inwerking van vocht. Dit kan, net als bij silicium zonnepanelen, met glas. Maar omdat dunne film zonnecellen, zoals perovskiet, zo dun zijn, kunnen ze ook op een flexibele drager, zoals een plastic- of metaalfolie, opgebouwd worden. In dat geval is er een goede flexibele inpakking nodig. Bij TNO zijn hiervoor goedkope inpaktechnologieën ontwikkeld die momenteel door dunne-film zonnecel producenten worden gebruikt en geëvalueerd. Flexibele zonnepanelen kunnen dan weer gebruikt worden voor lichtgewicht constructies en voor gebogen oppervlakten.

Tweezijdig

“Het fundamentele onderzoek aan perovskiet kan binnen drie tot vijf jaar afgerond zijn. Hetzelfde geldt voor ons onderzoek naar tandemtechnologie”, zegt Coletti. In principe zou er dus rond 2023-2025 een marktklaar product moeten zijn. De International Technology Roadmap for Photovoltaic bevestigt dat. Dat product móet wel tweezijdig zijn, want de verwachting is dat rond die tijd een groot deel van de standaard zonnepanelen die uit de fabriek komen tweezijdig zal zijn. Voor de traditionele siliciumpanelen zit daar de groei in.

Marktrijp?

Er zijn uiteraard nog wel uitdagingen te overwinnen voordat tandempanelen marktrijp zijn – en helemaal voor de volgende stap richting 40 procent omzettingsrendement. Hoe ga je bijvoorbeeld de twee typen cellen in de tandem met elkaar verbinden en hoe maak je er één module van? In principe kun je kiezen of er 4, 3 of 2 draadjes uit zo’n module gaan komen. Elke benadering heeft zijn effect op de productie- en systeemkosten, en dus op de uiteindelijke kosten van elektriciteitsopwekking.

Opschaling nodig

Ook is er een opschaling nodig van de perovskiettechnologie om echte stappen vooruit te kunnen maken. Van een pv-oppervlak van pakweg 100 vierkante centimeter dat nu haalbaar is, moet een sprong worden gemaakt naar de omvang van een complete module. “De uitdaging is hoge efficiëntie te bereiken op een groot oppervlak én een grote stabiliteit”, legt Coletti uit. “Dit product moet liefst meer dan 25 jaar meegaan.”

‘Razendsnel’

Momenteel hebben verschillende groepen wereldwijd succesvolle resultaten geboekt met gestandaardiseerde versnelde verouderingstesten. Tegelijkertijd komen er meer en meer belovende testresultaten ter beschikking van perovskiet zonnepanelen die enkele maanden tot meer dan een jaar buiten zijn getest. “Ik ben dus vol vertrouwen dat dit ook wel goed komt, want een paar jaar geleden was de stabiliteit van perovskiet zonnecellen niet meer dan een uur”, relativeert Coletti. “De ontwikkeling gaat razendsnel.”

Lood

Nog een uitdaging bij de doorontwikkeling van perovskiet is dat de tot nu toe best presterende vorm van het materiaal lood bevat. Hoewel in kleine hoeveelheden aanwezig, is dit een toxisch element en maakt normaal huis-, tuin- en keukengebruik  lastig. Zorgvuldig inpakken van de verschillende cellagen en de module kan dit probleem wellicht oplossen en bijdragen aan verdere verhoging van de stabiliteit.

Opschalen naar massaproductie

Solliance werkt vooral aan het perovskiet-deel van de technologie, TNO in Petten werpt zich op de integratie in een compleet paneel. Volgens de technologieroadmap die het consortium heeft uitgestippeld zou het rendement in de komende paar jaar een grote stap moeten maken. Binnen vijf jaar zou een rendement van 35 procent haalbaar moeten zijn. In samenwerking met Nederlandse marktpartijen zou snel opschalen naar massaproductie mogelijk moeten zijn.

Concurrerend

Gaat het tweezijdige tandempaneel straks alle bestaande panelen van de markt af vegen? Dat is uiteraard sterk afhankelijk van de prijs. De kans dat het paneel duurder zal zijn dan een silicium paneel is groot. Maar daar staat tegenover de hogere opbrengst. Op minder oppervlak en met minder ondersteuningsconstructies, installaties en onderhoudswerk kun je dus dezelfde opbrengst genereren als met standaardpanelen. “In een land als Nederland, waar grond kostbaar is, kan dat doorslaggevend zijn”, denkt Coletti. “Als je de totale kosten en opbrengsten tegen elkaar afweegt, zullen tweezijdige tandemmodules zeker concurrerend worden. Daar twijfel ik niet aan.”

Reageer op dit artikel