Na jaren onderzoek lijkt de droom van super-efficiënte zonnecellen werkelijkheid te worden. Onderzoekers laten zien dat zonnecellen met 40% efficiëntie binnen handbereik zijn, dankzij een slimme combinatie van perovskiet en silicium.
De wereldwijde zoektocht naar schonere en efficiëntere energiebronnen versnelt, en zonne-energie blijft daarbij een van de meest veelbelovende opties. Toch worstelen ingenieurs nog steeds met de balans tussen efficiëntie, stabiliteit en kosten. Nu lijkt een team van de Hong Kong Polytechnic University (PolyU) een belangrijke stap dichter bij die ideale mix te komen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Photonics, hebben onderzoekers onder leiding van professoren Li Gang en Yang Guang aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van zogenoemde perovskiet/silicium tandem-zonnecellen (TSC’s) — een technologie die de prestaties van conventionele siliciumcellen mogelijk ver achter zich laat.
Perovskiet + silicium: de gouden combinatie
Perovskiet/silicium-tandemcellen combineren twee verschillende lagen zonnecelmateriaal om een breder spectrum aan zonlicht te benutten. Waar traditionele siliciumcellen theoretisch maximaal rond de 29% efficiëntie kunnen halen, hebben tandems het potentieel om daar ver overheen te gaan.
Huidige commerciële zonnepanelen halen gemiddeld genomen 22% efficiëntie. Het team van PolyU mikt nu op een energieconversie-efficiëntie van bijna 40%. Een grens die nog geen enkele commerciële zonnecel heeft bereikt.
Dat cijfer is niet alleen indrukwekkend op papier: het betekent dat dezelfde hoeveelheid zonlicht bijna de helft meer elektriciteit kan opleveren. In een wereld die vecht tegen stijgende energieprijzen en klimaatverandering, zou dat een ware gamechanger kunnen zijn.
Op naar de 40%
Om de sprong naar bijna 40% rendement te maken, richt het PolyU-team zich op drie cruciale verbeteringen: beter lichtbeheer, stabielere materialen en defectvrije interfaces tussen de lagen. De perovskietlaag wordt zó ontworpen dat ze vooral het blauwe deel van het zonnespectrum opvangt, terwijl het silicium het rode en infrarode licht benut. Zo gaat er minder energie verloren.
Daarnaast experimenteren de onderzoekers met nanostructuren en speciale passivatielagen die defecten aan de grensvlakken verminderen — een van de grootste oorzaken van rendementsverlies. Ook werken ze aan nieuwe encapsulatiemethoden die de perovskietlaag beschermen tegen vocht en UV-licht, zonder dat dit de elektrische prestaties schaadt.
Volgens het team kan de combinatie van materiaalkunde en optische optimalisatie het rendement met enkele procentpunten verhogen. Precies wat nodig is om de magische 40%-grens te naderen.
Nog niet klaar voor de markt
Toch is de weg van labproef tot grootschalige toepassing lang en vol hindernissen. De onderzoekers van PolyU wijzen erop dat de stap van kleine testcellen naar volledige zonnepanelen een van de grootste struikelblokken blijft.
“Hoewel laboratoriumprototypes indrukwekkende rendementen tonen, moeten we nog werken aan betrouwbaarheid en schaalbaarheid,” zegt prof. Li Gang. “Bij het opschalen verliezen we vaak efficiëntie door kleine materiaaldefecten en niet-uniforme lagen.”
Bovendien zijn perovskietmaterialen gevoelig voor vocht, zuurstof, UV-licht en temperatuurschommelingen. Allemaal factoren die de levensduur drastisch kunnen verkorten. Voor commerciële toepassing moet die kwetsbaarheid worden overwonnen, bijvoorbeeld via beschermende coatings of geavanceerde inkapselingstechnieken.
Goedkoop, maar één groot nadeel
De betaalbaarheid van perovskieten blijft een sterk pluspunt. De materialen zijn relatief goedkoop te produceren en kunnen op lage temperatuur worden verwerkt. Een voordeel ten opzichte van de energie-intensieve productie van siliciumwafers.
Perovskiet brengt wel een nadeel met zich mee: het bevat vaak lood, een giftig element dat milieubezorgdheid oproept. De onderzoekers pleiten daarom voor duurzame alternatieven of recyclingstrategieën om lood terug te winnen.
“Technologische vooruitgang moet hand in hand gaan met milieubescherming,” stelt prof. Li. “Alleen dan kunnen we spreken van een écht groene energietransitie.”
Industriële samenwerking
De stap naar de markt vereist nauwe samenwerking tussen universiteiten, industrie en overheden. “De ontwikkeling van betrouwbare perovskiet/silicium-tandemcellen moet niet alleen wetenschappelijke, maar ook economische barrières slechten,” zegt prof. Yang Guang.
Hij benadrukt dat materiaalkunde, productie-engineering en economische modellering gezamenlijk moeten worden geïntegreerd om de technologie marktrijp te maken.
China ziet in deze cellen een cruciale bouwsteen voor zijn doelstellingen op het gebied van CO2-neutraliteit, en het PolyU-team werkt nauw samen met industriële partners om de productiekosten te drukken en grootschalige pilots te starten.
Meer stroom uit hetzelfde zonlicht
Als het PolyU-team erin slaagt om de 40%-grens te halen en de stabiliteit te waarborgen, kan dit een van de grootste doorbraken in zonne-energie van het decennium worden. Een hogere efficiëntie betekent immers dat dezelfde oppervlakte aan panelen meer stroom kan leveren. Een cruciale factor in dichtbevolkte gebieden of bij toepassingen in de industrie.
“Door een stabiele toevoer van hoogrendements zonne-energie te bieden, willen we groene en betrouwbare stroom leveren voor energie-intensieve sectoren, zoals kunstmatige intelligentie,” aldus prof. Yang. “Zo dragen we bij aan een koolstofarme energietransitie.”
Realistisch of toekomstmuziek?
Hoewel de 40% efficiëntie technisch haalbaar lijkt, blijft de vraag of de technologie ook economisch levensvatbaar kan worden. De geschiedenis leert dat veelbelovende zonneceltypes, van organische cellen tot dunne-filmvarianten, vaak strandden in de fase tussen prototype en productie.
Toch lijken de kaarten nu beter geschud. De combinatie van hoge efficiëntie, relatief lage materiaalkosten en de enorme industriële slagkracht van China zou wel eens het verschil kunnen maken. Als perovskiet/silicium-tandemcellen werkelijk doorbreken, zou dat niet alleen een nieuw tijdperk voor zonne-energie inluiden, maar ook de wereldwijde race richting klimaatneutraliteit versnellen.
