Photovoltaics

5 min

Kunnen we perovskiet-zonnecellen marktrijp maken?

Tot nu toe is de ontwikkeling van perovskiet-PV een zaak van laboratoria, maar onderzoekers bij imec proberen samen met hun collega’s van Solliance om de technologie op te schalen en modules te produceren. Het ontwikkelen van een industrieel proces is dan de volgende stap.

Scroll

Best of 2016 / Editie september 2016

Perovskiet-microkristallen zijn een veelbelovend materiaal voor hoogefficiënte dunne-filmzonnecellen. Ze kunnen worden verwerkt tot dunne, lichte, semitransparante modules die zich eventueel in bouwelementen zoals vensters of gebogen constructie-elementen laten inbouwen. Maar even goed kunnen ze de standaard siliciumzonnetechnologie een flinke boost geven. Tot nu toe is de ontwikkeling van perovskiet-PV een zaak van laboratoria, maar onderzoekers bij imec proberen samen met hun collega’s van Solliance om de technologie op te schalen en modules te produceren. Het ontwikkelen van een industrieel proces is dan de volgende stap.

De eigenschappen van perovskiet-materialen zijn al langer bekend. Toch duurde het nog tot 2009 voor perovskiet werd toegepast in zonnecellen en meer bepaald in een dye-sensitized zonnecelarchitectuur, wat maar een zeer bescheiden 3,8% conversie-efficiëntie opleverde. Bovendien bleven deze cellen maar een paar minuten stabiel vóór ze begonnen te degraderen. Sindsdien zijn laboratoria wereldwijd erin geslaagd om de efficiëntie gestaag op te drijven, tot ongeveer 20% op dit ogenblik, met goede perspectieven voor nog verdere stijgingen.

Perovskiet-zonnecellen hebben behalve hun hoge efficiëntie nog heel wat andere interessante eigenschappen. Zo zijn ze potentieel goedkoop om te produceren, met eenvoudige technieken zoals coaten en printen met inktachtige materialen op substraten van flexibel materiaal of glas. En omdat ze zo efficiënt zonlicht absorberen, is er niet veel materiaal nodig. Een laagje van hoogstens enkele honderden nanometers volstaat. Bovendien kan het materiaal op allerlei behoeften worden afgestemd door zijn optische en elektronische eigenschappen zorgvuldig aan te passen. Op die manier kunnen bijvoorbeeld de kleur en transparantie van de cel variëren.

Maar vóór je naar je lokale zonnepanelenleverancier holt om met perovskiet verbeterde vensters te bestellen, moet je beseffen dat we nog enkele problemen moeten oplossen alvorens perovskiet-PV pas grootschalig kan worden ingezet.

Eén van de uitdagingen is dat de efficiëntie van de cellen weliswaar flink is toegenomen, maar dat de stabiliteit nog veel te wensen overlaat. Perovskietcellen degraderen nog te snel: ze gaan hooguit enkele weken of maanden mee, in plaats van jaren of decennia. Een tweede nadeel is dat alle efficiëntierecords met kleine cellen werden bereikt, die soms maar een vierkante centimeter groot zijn. Het is een hele uitdaging om de uitstekende efficiëntieresultaten te vertalen naar grotere cellen, modules en uiteindelijk PV-systemen.
Onze R&D-experts werken hard op beide domeinen, samen met een aantal industriële partners. In tegenstelling tot een zuiver wetenschappelijk gerichte aanpak, concentreren wij ons op de ontwikkeling van processen op industriële schaal. Met die inspanningen zouden de eerste op perovskiet gebaseerde zonnecellen over ongeveer twee jaar op de markt moeten komen.

Meer stabiliteit graag

Zoals alle zonnecellen bestaan perovskietcellen uit een zorgvuldig samengestelde stapel functionele lagen, met centraal een fotoactieve laag van perovskiet-microkristallen, een familie materialen met de specifieke structuur ABX3. Voor zonnecellen worden gewoonlijk organo-metaal-halide perovskieten gebruikt. Daarbij is het A-materiaal gewoonlijk een organisch kation, het B-materiaal een metaalion zoals lood en X een halide-anion zoals jodide, bromide of chloride. Met deze drie elementen zijn talrijke combinaties te vormen, die telkens verschillende eigenschappen vertonen. Maar omdat het niet duidelijk is in welke richting het meest geschikte materiaal moet worden gezocht, bestaat de R&D gedeeltelijk in het nauwgezet screenen van compounds en hun gedragingen.

Een van de uitdagingen is de perovskietlaag stabiel maken bij hoge temperaturen. Momenteel lukt dat al bij een bedrijfstemperatuur van maximaal 80°C. Samen met een universiteitsteam dat gespecialiseerd is in materiaalengineering (IMOMEC van Universiteit Hasselt) ontwikkelen wij nieuwe perovskietcompounds die tot 150°C stabiel zouden moeten blijven. Tegelijk verfijnen wij ook de processingtechnieken om de microkristallijne structuur van de actieve laag te optimaliseren.

Een tweede probleem heeft te maken met de gatengeleidingslaag, dus de laag die de gaten naar de contacten geleidt nadat ze door de perovskietlaag van de elektronen zijn gescheiden. Bij perovskietzonnecellen wordt meestal een zogeheten Spiro-laag gebruikt, die werd ontwikkeld voor dye-sensitized zonnecellen. Maar omdat dit een organisch materiaal is, degradeert het snel. Ook hiervoor is er dus een alternatief nodig.

Bovendien zijn de beste perovskietmaterialen waarover wij vandaag beschikken nog altijd erg vochtgevoelig en dat beperkt sterk hun outdoorgebruik. Een van de mogelijke oplossingen bestaat erin de PV-stapel af te werken met een uitstekende vochtbarrière, bijvoorbeeld door hem tussen twee glasplaten te sandwichen.

Een ander probleem, dat losstaat van de stabiliteit, maar daarom niet minder essentieel is, is de toxiciteit van het materiaal. De momenteel gebruikte perovskietmaterialen bevatten immers lood. Hoewel de concentratie ervan in de uiteindelijke PV-systemen erg laag zal zijn, kan toch alleen maar een loodvrij, stabiel materiaal leiden tot een duurzame PV-technologie en tot consumentenproducten die voldoen aan de WEEE- en RoHS-voorschriften.

Door zorgvuldig de recepten en processtappen te verfijnen boeken wij traag maar zeker vooruitgang op al deze domeinen. Zoals dat eerder het geval was voor de efficiëntie zal ook de stabiliteit van de technologie erop vooruitgaan, zodat een levensduur van jaren in plaats van weken haalbaar wordt.

De stap naar modules

Als wij deze technologie uit het laboratorium en op de markt willen krijgen, is het essentieel om processen op industriële schaal te ontwikkelen. Dat betekent cellen van groot formaat produceren, deze samenvoegen tot modules en uiteindelijk volwaardige PV-systemen maken.

In mei 2016 presenteerde ons team de allereerste semi-transparante perovskiet-PV-module. Ze werd vervaardigd met schaalbare coatingtechnieken en haalde een efficiëntie van 12% bij een grootte van 4 cm² en zelfs van 10% bij een formaat van 16 cm². Dit was een wereldrecord. Vergelijkbare modules kunnen worden gemaakt op soepele dragers (plastic- of metaalfolies) en op stijve dragers (glas of metaal). Door de optische en elektrische eigenschappen van de cellen te variëren is het bovendien mogelijk om de kleur en transparantie van de modules aan te passen. De juiste materialen zorgvuldig combineren is daarbij essentieel.

Een alternatief voor op zichzelf functionerende dunne-filmmodules bestaat erin de perovskietstapel als een laag bovenop standaard siliciumzonnecellen aan te brengen. Perovskieten kunnen worden gefinetuned om zonlicht te absorberen uit een spectrum dat complementair is aan het optimale spectrum van siliciumcellen. Bovendien is hun absorptiespectrum scherp begrensd, zodat er zeer weinig parasitaire absorptie is die de efficiëntie van de siliciumcellen zou kunnen aantasten. Wij zijn erin geslaagd om met deze techniek een transparante perovskietmodule aan te brengen bovenop interdigitated back contacted (IBC) siliciumzonnecellen van hetzelfde formaat. Bij deze opbouw liet de perovskietmodule bovenaan 70% van het invallende licht door naar de siliciumcel. De gemeten conversie-efficiëntie bedroeg 20,2% bij een stapel van 4 cm² en 17,2% bij een stapel van 16 cm², absolute records bij deze formaten.

Een wereld aangedreven door perovskiet 

Het staat vast dat de perovskiet-zonnetechnologie een geduchte uitdager wordt die een plaats verdient in de mix van PV-technologieën die ons in de toekomst van stroom zullen voorzien. Twee scenario’s zijn denkbaar: als materiaal om siliciumcellen te verbeteren of als een voordelige technologie om grote oppervlakken in bijvoorbeeld gebouwen of auto’s stroom te laten leveren. De volgende jaren zal blijken of wij erin slagen om de juiste mix van efficiëntie, stabiliteit en afmetingen te ontwikkelen die tot de grootschalige toepassing van dit fascinerende en zeer veelzijdige materiaal zal leiden.

Imec startte in 2014 met R&D op het domein van perovskietzonnecellen. Daarbij lag de nadruk op de ontwikkeling van een schaalbare, stabiele en loodvrije technologie. Ons onderzoek vindt plaats in het kader van Solliance, een transnationaal partnership tussen ondernemingen en onderzoeksinstituten op het gebied van de dunne-filmzonnetechnologie. Het PV-onderzoek van imec maakt deel uit van EnergyVille, het Vlaamse expertisecentrum voor energietechnologie.

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over.

Accepteer cookies