Wereldwijd vindt veel onderzoek plaats naar perovskiet als nieuwe halfgeleider voor flexibele dunnefilmzonnecellen. Een onderzoeksconsortium waar TNO deel van uitmaakt is daar heel ver mee. De Brabantse Ontwikkelings Maatschappij ziet er een niet te missen kans in om in Nederland perovskiet zonnecellen te gaan produceren.
Het onderzoeksconsortium Solliance slaagde er in september 2022 in met een 4T perovskiet-silicium PV-tandemcel de grens van 30% conversie-efficiëntie te doorbreken. Het ging hier om een stapeling (tandem) van een hoogrendement siliciumcel gemaakt door de TU Delft en een efficiënte semitransparante perovskietcel gemaakt door TNO, vertelt Veronique Gevaerts, senior scientist Thin Film PV bij TNO. 4T staat voor 4 terminals oftewel 4 elektrische contacten. “Dat betekent dat er twee zonnecellen of zonnecelmodules fysiek op elkaar gestapeld worden zonder dat er direct elektrisch contact is tussen de twee onderdelen van de tandem. Elk van de twee cellen of modules levert afzonderlijk energie via de eigen elektrische contacten.”
In 2009 ontwikkelden Japanse onderzoekers voor het eerst een zonnecel op basis van perovskiet. Sindsdien is door verschillende onderzoeksinstituten gesleuteld aan een optimale samenstelling en architectuur van de perovskietzonnecel. De wereldrecords conversie-efficiëntie van perovskietzonnecellen en siliciumzonnecellen ontlopen elkaar niet meer zoveel, aldus Gevaerts: 26,7% versus 27,1% volgens de NREL Efficiency Chart. “Perovskiet zou silicium kunnen gaan verdringen, maar dat is nu de mainstream technologie en zeer ver gevorderd in industrialisatie en schaalvergroting. Daarom is de kans groter dat de combinatie van de twee in een tandem belangrijker gaat worden.” Het nut van tandems is dat ze van het zonlicht meer energie absorberen dan elk van de gebruikte zonnecellen afzonderlijk zou doen. Ze vullen elkaar ook aan. Zo absorbeert silicium het rode deel van het lichtspectrum, perovskiet het blauwe deel.
Kritische voordelen
Perovskiet heeft een aantal kritische voordelen ten opzichte van silicium op vlak van duurzaamheid en kosten. De benodigde grondstoffen voor de opbouw van een perovskietzonnecel zijn niet zeldzaam en ruim voorradig in Europa. Ten tweede is er slechts een ultradunne laag van het materiaal nodig. Een laagje van 1 micron heeft in principe het volledige zon absorberend vermogen van het materiaal. Van kristallijn silicium daarentegen is minimaal 100 micron nodig. De oorzaak van dit verschil berust op een verschillende bandkloof: het energieverschil tussen de valentieband en geleidingsband van een halfgeleider, legt Gevaerts uit: “De bandkloof van kristallijn silicium is indirect. Dat wil zeggen dat de kans dat een foton wordt omgezet in elektrische ladingen klein is. De bandkloof van dunnefilmmaterialen zoals perovskiet is direct en daardoor kan met een heel dunne laag al het licht met een energie groter dan deze bandkloof omgezet worden in ladingen en daarmee elektriciteit. Er is geen reden om een dikkere laag materiaal te gebruiken.”
Ten slotte is het productieproces met perovskiet mogelijk bij een lage temperatuur. Alles bij elkaar leidt dit tot minder kosten, dus een goedkoper product, en tevens tot een duurzamer product en productieproces ten opzichte van siliciumzonnecellen.
