PhotovoltaicsSmart Energy

15 min

De 5 dingen die je altijd al wou weten over perovskiet-zonnecellen (de nieuwe hype in PV-land)

Er is veel te doen over een nieuw type zonnecel op basis van perovskietmateriaal. Dit unieke materiaal werd in 1839 ontdekt in het Oeralgebergte en zou in de toekomst – door slimme ingrepen van wetenschappers – zonnecellen kunnen opleveren die goedkoop zijn én meer dan 35% omzettingsefficiëntie bereiken. De stabiliteit van de cellen verbeterde aanzienlijk waardoor ze binnen enkele jaren al van de band kunnen rollen, zowel voor zonnecelparken als voor toepassingen in auto’s, kleding, ramen en gevelelementen. Ze zijn bovendien de meest milieuvriendelijke optie in de PV-wereld wat betreft materiaalgebruik en productieproces. En, het is een type zonnecellen dat best lokaal geproduceerd wordt. 

Tom Aernouts, programma-manager Perovskiet PV bij imec/EnergyVille en Soliance Solar Research, beantwoordt 5 prangende vragen over perovskiet-zonnecellen. 

1. Wat maakt perovskiet-zonnecellen zo speciaal?

Tom Aernouts: “Nog nooit werd er zo snel vooruitgang geboekt met een zonneceltechnologie als met de perovskiet (Pk)-zonnecellen: van 3,8% naar 25,2% in 10 jaar tijd. Het was in Japan, in 2009, dat onderzoekers voor het eerst Pk-materiaal gebruikten voor zonnecellen. De zonnecel zelf stelde nog niet zoveel voor met een lage omzettingsefficiëntie (3,8%), een kleine oppervlakte (0,24 cm²) en een stabiliteit van maar enkele minuten. Maar door een wereldwijde effort – ook bij imec – halen we vandaag met labocellen meer dan 25%.”

“Ook is het productieproces relatief eenvoudig, zijn dergelijke cellen ook bruikbaar bij lagere lichtintensiteiten, en is het materiaal relatief goedkoop en in grote hoeveelheden beschikbaar. Bovendien kunnen de zonnecellen doorschijnend, in verschillende kleuren en ook op flexibele substraten gemaakt worden.” 

“Het materiaal is best wel fascinerend te noemen. De eerste perovskieten die in onderzoek gebruikt werden, waren mineralen die ontgonnen werden in de natuur. Het eerste lid van de Pk-familie was calciumtitanaat (CaTiO3), in 1839 ontgonnen door de Duitse chemicus Gustav Rose tijdens een expeditie in het Oeralgebergte. Hij vernoemde het mineraal naar de Russische mineraloog Lev Perovski. Alle materialen met dezelfde kristalstructuur als calciumtitanaat – XIIA2+VIB4+X2−3– die nadien ontdekt of gesynthetiseerd werden, kregen de naam ‘perovskiet’. Deze familie van materialen is enorm groot, juist vanwege de enorme flexibiliteit in ionen die kunnen gebruikt worden in de formule. Meer dan 90% van de metalen in de Tabel van Mendeljev kunnen gebruikt worden. Net omwille van die flexibiliteit kan je Pk perfect ‘tunen’ voor bepaalde golflengtes of toepassingen.”

Comparative graph showing the evolution of different solar cell technologies. The strong growth of perovskite-based cells is striking. (Source: EPKI White Paper)

Vergelijkende grafiek die de evolutie toont van verschillende zonneceltechnologieën. De sterke groei van perovskiet-gebaseerde cellen is opvallend. (bron: EPKI White Paper)

2. Is het gewoon een hype of verschijnen ze binnenkort ook echt in het straatbeeld?

Tom Aernouts: “De stabiliteit van Pk-zonnecellen is lang een probleem geweest waardoor de PV-industrie zeer sceptisch was over deze nieuwe ‘kid on the block’. Maar ook hier is veel vooruitgang geboekt en ik verwacht dat de eerste Pk-zonnecellen van de band zullen rollen binnen 2 à 3 jaar. In de EPKI White Paper stellen we dat in die periode de productiecapaciteit (wereldwijd) zal toenemen van 0,4 naar 1,3 GWp. Tientallen bedrijven over heel de wereld zijn de productieprocessen aan het voorbereiden en productiecapaciteit aan het uitbouwen. Een van die bedrijven is GCL in China, maar ik geloof er sterk in dat ook Europa een belangrijke rol kan spelen in deze nieuwe technologie.”

“Er bestaat een standaardtest voor (silicium-)zonnecellen om een levensduur van 20 jaar te garanderen. Al tegen 2020, zullen Pk-cellen deze test kunnen doorstaan. De vraag is wel of deze test dezelfde garanties – 20 jaar levensduur – kan bieden voor Pk-cellen aangezien hij specifiek ontwikkeld werd voor Si-cellen. Daarom moet de onderzoekswereld in parallel meer inzichten verwerven in degradatiemechanismen in Pk om op termijn nieuwe, meer geschikte testen te ontwikkelen.”

“Er zijn twee soorten Pk-gebaseerde zonnecellen die het vermelden waard zijn: de silicium-cel met een laagje perovskiet erbovenop en de zuivere dunnefilm-Pk cel. Ik verwacht dat het de Si-Pk tandemcel is die eerst beschikbaar zal zijn omdat er een grote push is vanuit de Si-PV industrie." 

"Si-zonnecellen zitten nu namelijk bijna aan hun limiet wat betreft omzettingsefficiëntie en met dat extra laagje erbovenop kan het de efficiëntie een enorme boost geven. En dat zonder het productieproces drastisch aan te passen. Dit soort cellen zal vooral toegepast worden in zonnecelparken. Voor zonnecelparken in minder zonzekere gebieden – waar de lichtintensiteit en bewolking meer variabel is – kunnen ook bifaciale Si-zonnecellen gebruikt worden met bovenaan een laagje perovskiet. De tweede optie – dunnefilm-Pk-cellen – zullen in andere toepassingen gebruikt worden, geïntegreerde toepassingen, zoals in auto’s, bouwmaterialen, ramen, kleding enz. Omdat dit een compleet nieuwe aanpak vereist, zal dit soort Pk-gebaseerde cellen waarschijnlijk iets later op de markt verschijnen.”

Perovskietzonnecellen zijn ideaal om te integreren in gebouwelementen (BIPV) of in auto’s (VIPV). Hier een voorbeeld van vehicle-integrated PV (niet op basis van perovskiet), van de Nederlandse startup Lightyear

3. Waar zullen deze zonnecellen vooral geproduceerd worden?

Tom Aernouts: “Pk-zonnecellen voor geïntegreerde toepassingen (in auto’s, gebouwen etc.) worden best lokaal geproduceerd omdat elke markt een eigen regelgeving en organisatie heeft die sterk land-gebonden is. Het is dus een schitterende kans voor Europa – dat bovendien ook heel wat expertise bezit op het vlak van Pk-materiaal en -cellen – om een belangrijke speler te worden in dit verhaal." 

"Voor de Si-Pk tandemzonnecellen is het mogelijk dat Europa goedkope siliciumcellen aankoopt in een ander land om er dan de Pk-afwerking op aan te brengen. In de veronderstelling natuurlijk dat Europa zijn expertise goed benut en snel productiecapaciteiten gaat uitbouwen.” 

4. Gaan perovskiet-zonnecellen echt goedkoper zijn dan de al zo goedkope siliciumcellen?

Tom Aernouts: “De Si-Pk tandemcellen zullen duurder zijn dan de huidige Si-cellen omdat er natuurlijk extra processtappen en materiaal nodig is t.o.v. de standaard cellen. Echter, de winst in efficiëntie zal aanzienlijk compenseren voor deze extra kost waardoor de euro/wattpiek lager zal liggen.Si-Pk modules zullen zeker de race met huidige goedkope Si-modules kunnen winnen." 

"Dunnefilm Pk-cellen hebben het potentieel om heel goedkoop te zijn. Natuurlijk zal de uiteindelijke prijs afhangen van het gebruikte materiaal, het ontwerp van de stack en het type proces dat gebruikt wordt, evenals van de toepassing en de marktgrootte van deze toepassing. Maar als richtprijs vermeldt de EPKI White Paper zo’n 20 eurocent/Wp voor de volgende 5 tot 10 jaar met daarna zelfs een verlaging tot 10 en misschien zelfs 4 eurocent/Wp als verder vooruitgang wordt gemaakt in de ontwikkeling en de efficiëntie van de cellen.”

5. Maakt het lood in perovskiet-zonnecellen ze niet milieu-onvriendelijk?

Tom Aernouts: “Pk-technologie wordt beschouwd als de meest milieuvriendelijke PV-technologie die er bestaat, o.a. vanwege het gebruik van synthetisch-aangemaakt materiaal (waardoor geen mijnbouw of complexe zuiveringsprocessen nodig zijn), de zeer kleine hoeveelheid materiaal die nodig is, en de lage procestemperatuur."

"De beste efficiënties worden vandaag behaald met lood-houdende Pk-cellen. Alternatieven worden bekeken maar die scoren voorlopig nog niet zo goed. De hoeveelheid lood in de cellen is zeer laag: de loodhoudende lagen in een Pk-cel zijn typisch zo’n 0,3µm dik wat zich vertaald in 1g loodjodide/m². Dit is conform de RoHS-richtlijn. Bovendien wordt naar oplossingen gezocht om de zeer kleine kans die er bestaat dat lood in de omgeving zou terecht komen door beschadiging van de PV-cel, verder te minimaliseren. Bv. door materialen te integreren in de cel die in geval van blootstelling binden met het lood en wateronoplosbare componenten vormen.”

 

Meer weten? 

EPKI, het European Perovskite Initiative, lanceerde in september een whitepaper die een mooi overzicht brengt van de meest recente resultaten, de markt, mogelijke businessmodellen enz. Je kan deze paper hier downloaden. 

 

Over Tom Aernouts

Dr. Tom Aernouts, R&D Manager Thin-Film PV bij imec, startte het onderzoek naar dunne-film zonnecellen bij imec in 1999. Tot 2006 werkte hij als onderzoeker aan een fundamenteel begrip van organische zonnecellen en ontwikkelde hij bulk heterojunctionele zonnecellen en volledig flexibele modules. Sinds 2006 is Dr. Aernouts groepsleider van imecs Thin Film PV-groep, die de dunne-film PV-onderzoeksactiviteiten van imec aanstuurt, met een eerste infrastructuurupgrade in 2009 waardoor cellen tot 15x15cm² mogelijk werden, en een volgende upgrade die net in 2018 werd voltooid om de celgrootte uit te breiden tot 35x35cm². De groep heeft zijn activiteit in 2014 uitgebreid met de werkzaamheden aan hybride, op perovskiet-gebaseerde dunne-film zonnecellen. In korte tijd heeft deze groep veel aandacht getrokken met zijn snelle vooruitgang op dit gebied met een wereldwijd record-gecertificeerde module-efficiëntie van 12,5%, evenals een onlangs gemelde eerste 4cm² module-op-cel perovskiet/siliciumstapel ter wereld met een vermogensconversie-efficiëntie van 25,3%, die beter presteert dan de standalone silicium zonnecel. Ook zijn de eerste modules op 30x30cm2 onlangs met succes gemaakt. Dr. Aernouts behaalde zijn M.Sc. in de halfgeleiderfysica aan de KU Leuven, België, in 1998, en een Ph.D. in de wetenschap in 2006 aan dezelfde universiteit.

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies