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.
Zeer goedkoop
Het succesvol op de markt brengen van nieuwe technologie is erg afhankelijk van het kostenplaatje. Sommige technologie is (nog) te duur om er de markt mee te veroveren. Onderzoeksinstituut Fraunhofer ISE is momenteel recordhouder conversie-efficiëntie (van 46,7%) behaald met een concentrerende fotovoltaïsche cel (CPV) met een vier-junctie architectuur. En het AMOLF-instituut en Fraunhofer ISE ontwikkelden een zonnecel op basis van een TOPCon-cel met 36,1% efficiëntie. Of deze laboratoriumsuccessen ook tot commerciële successen leiden, is moeilijk te voorspellen. Gevaerts legt uit dat de voor deze record zonnecellen gebruikte technologie prijzig is. “Ze zijn gemaakt met respectievelijk vier en drie verschillende zonnecellen op elkaar, dus multi-junctie. De zonnecellen die daarin zitten, zoals InP (indiumfosfide), worden gemaakt met vacuümprocessen en zijn daarom duur in productie. Perovskietzonnecellen daarentegen kunnen we maken via nat chemische processen, zoals het coaten van inkten. Ze kunnen daarom roll-to-roll (R2R) geproduceerd worden onder normale atmosfeer. Daarmee kunnen perovskietzonnecellen zeer goedkoop worden.”
Mass customization
TNO is bezig de dunnefilmtechnologie voor perovskietzonnecellen verder te ontwikkelen tot het stadium dat de technologie geschikt is voor maatwerk massaproductie, oftewel ‘mass customization’. Het onderzoeksinstituut beschikte reeds over een pilot roll-to-roll (R2R) coatinglijn voor het nat aanbrengen en drogen van fotoactieve lagen. Daarnaast is in 2022 een pilotlijn opgezet voor het R2R lamineren van zonnecelmateriaal. “Deze lijn kan verschillende typen zonnecellen en -modules inpakken, waaronder straks ook perovskietmodules”, aldus Gevaerts. “Dit inpakken is het samenvoegen van zonnecellen of zonnecelmodules tussen folies met barrière-eigenschappen om ze te beschermen tegen weersinvloeden. In deze pilotlijn ontwikkelt TNO samen met partners de processen en de apparatuur die uniek zijn in de wereld.”
In deze pilotlijn ontwikkelt TNO samen met partners de processen en de apparatuur die uniek zijn in de wereld”
Aan het eind van de R2R-lijn wordt de rol in de gewenste lengte en eventueel breedte gesneden. Het complete proces is dan wellicht beter roll-to-sheet te noemen. Afhankelijk van welke materialen er worden gebruikt voor het ‘inpakken’ van de zonnecellen of -modules, komen er uit deze lijn kant-en-klare producten of halffabricaten die in een finaal product verwerkt kunnen worden, zoals bijvoorbeeld een gevel. De keuze van de barrière-eigenschappen van de beschermde voorzijdefolie is daarbij van belang.
Geïntegreerd in gevels
De fabrikant van metalen en composiet gevelbekleding Aldowa toonde zich onlangs in een TNO-webinar geïnteresseerd in perovskietlaminaten. Het bedrijf levert al gevels met geïntegreerde zonnecelmodules (BIPV, Building Integrated PV). Roel Rennen, expert solar geïntegreerde gevels bij Aldowa, wees er in het webinar op hoe silicium en perovskiet elkaar mooi aanvullen, hetzij als tandem of enkelvoudig toegepast. Perovskiet in de gevel presteert in de winter met weinig, laag invallend licht beter dan silicium op dak. ’s Zomers is dat omgekeerd.
Maar perovskietzonnecellen en -modules kunnen in principe overal worden toegepast. Als flexibele zonnelaminaten lenen ze zich vooral goed voor nieuwe toepassingen, zoals in gebouwfaçades en geluidsschermen of in de carrosserie van voertuigen. Als dunnefilmmateriaal kan perovskiet dus een sleutelrol gaan vervullen in het toekomstperspectief van ‘PV everywhere.’
Blauwdruk van een fabriek
TNO is een onderzoeksinstituut en gaat niet zelf een productielijn van perovskietlaminaten opzetten. Dit moet een bedrijf doen. De Brabantse Ontwikkelings Maatschappij (BOM) maakt zich daar sterk voor. Ze wil dat Nederland weer een grotere rol gaat spelen als producent van zonnecellen. Het plan is om in 2027-2028 ergens in Noord-Brabant een fabriek voor de productie van flexibele perovskietzonnelaminaten te openen. De productiecapaciteit van de fabriek moet 1 GW aan PV-product gaan bedragen.
Voor het tot massaproductie van perovskietzonnecellen kan komen, moet er nog wel het nodige gebeuren aan R&D, zegt Gevaerts. “We hebben nog een heel programma, ook in samenwerking met partners in het SolarNL Groeifonds. Het verbeteren van de levensduur is bijvoorbeeld een belangrijk onderwerp. Ook de stap van cellen naar ingepakte modules behoeft nog ontwikkeling. Daarna willen we kijken naar de recycling van de eindproducten, mogelijk via design for recycling. Zonder concessies te moeten doen aan efficiëntie en levensduur. Kortom, nog genoeg uitdagingen.”
Begin 2025 verwacht Paul Gosselink, programmamanager New Energy bij de BOM, in bezit te zijn van de blauwdruk voor een complete productielijn van perovskietzonnelaminaat. BOM zet samen met TNO het ecosysteem op om de kostprijs van perovskiet goed te krijgen via de toelevering door bedrijven van materiaal en machines en de afzet van product. “Eind dit jaar willen we al ons businessplan presenteren voor een nieuw bedrijf met een nieuwe fabriek. Voor het businessplan hebben we VDL ingehuurd. Met de blauwdruk in handen hebben we nog twee jaar om de fabriek voor te bereiden, enkele processtappen verder te engineeren en het productieproces waar mogelijk aan te passen aan off-the-shelf machines. Dan zou de bouw medio 2027 kunnen beginnen.”
Nationale en internationale investeerders zijn welkom, behalve van Chinese zijde. “Zij hebben al zo’n dominante positie op de PV-markt, die willen we niet nog groter maken. Een joint venture samen met Nederlandse en buitenlandse flexibele dunnefilm PV-fabrikanten is ook mogelijk, zo lang de fabriek maar in Zuid-Nederland komt.” Of de fabriek de blauwdruk van TNO koopt of op basis van een patent in licentie neemt, ligt nog open.
Gosselink maakt duidelijk dat er voorlopig toch een aanzienlijk verschil bestaat tussen de laboratoriumresultaten met perovskietzonnecellen en wat er straks van de productielijn rolt. “Als we kunnen starten met een conversie-efficiëntie van 16% is dat mooi. Hierbij gaan we uit van de productie van 40 à 50 meter perovskietlaminaat per minuut. Bij een lagere productiesnelheid kun je een hogere efficiëntie bereiken, maar dan heb je geen rendabele fabriek. De verwachting is door optimalisaties stap voor stap naar een efficiëntie van 30% te kunnen groeien. Die potentie is er, dat is in het laboratorium bewezen. Maar bedenk wel dat de doorontwikkeling van siliciumzonnecellen al veertig jaar bezig is. Perovskiet staat nog aan het begin. Maar voor additionele energiewinning in onder meer gevels en geluidsschermen zullen de perovskiet laminaten ook met een lagere efficiëntie meteen al rendabel zijn. Dankzij de lage kostprijs. En omdat je stroom opwekt als de vraag ook hoog is, dus je vermijdt negatieve stroomprijzen. Waarbij ook nog geldt dat het product volledig circulair is.”
Hoe werkt een perovskietzonnecel?
Het hart van een perovskietzonnecel wordt gevormd door de absorptielaag. Die bestaat uit een materiaal met een kristalstructuur die zonlicht absorbeert en dit gedeeltelijk omzet in een stroom van elektrische ladingen. We noemen deze ladingen elektronen (negatief geladen) en gaten (positief geladen). De perovskietlaag is aan de onder- en bovenzijde omgeven door laagjes transportmateriaal die maar één van de twee soorten lading doorlaten: elektronen of gaten. Door dat ladingstransport ontstaat er een spanningsverschil. De laag die elektronen accepteert wordt negatief, de laag die gaten accepteert wordt positief. Om de elektrische stroom goed af te kunnen voeren worden de transportlagen bedekt met geleidende elektrodes. Minstens één van deze elektrodes (de voorkant van de zonnecel) is lichtdoorlatend. De stapel van laagjes is ongeveer 1 micron – een duizendste millimeter. Zo kunnen perovskietzonnecellen als hele dunne laagjes worden aangebracht op allerlei soorten ondergrond: glas, folie of een andere zonnecel. (Bron: TNO)
Voortschrijdende zonneceltechnologie
Elk halfgeleidermateriaal heeft een bandkloof (band gap) die een maximum stelt aan de conversie-efficiëntie. De bandkloof is de energie die nodig is om elektronen in een halfgeleider vrij te maken. Voor silicium resulteert dit in een maximale efficiëntie van ongeveer 32%. Maar andere factoren zoals warmteverlies en zonlichtreflectie zorgen ervoor dat het theoretisch maximum in de praktijk niet wordt gehaald. Een verbetering van de conventionele siliciumzonnecel is de PERC-uitvoering die intussen standaard is. Een Passivated Emitter Rear Cell heeft tussen de aluminiumfolie achter de siliciumlaag een extra laag die het binnenvallende zonlicht dat niet is omgezet terug reflecteert naar de absorptielaag. De opvolger van PERC is TOPCon: een siliciumcel waaraan een laagje ‘tunnel’-oxide is toegevoegd. Maar de opvolger van TopCon kondigt zich ook al weer aan: de heterojunctiezonnecel (HTJ). In een heterojunctiezonnecel wordt kristallijn silicium ingepakt in twee lagen amorf dunnefilmsilicium. Het amorfe silicium absorbeert juist die fotonen die kristallijn silicium doorlaat. Een andere innovatie is het concentreren van het zonlicht in een cel door middel van lenzen of spiegels. Dunnefilmtechnologie gebeurt met materialen die in een ultradunne laag het volledige zonlichtabsorptievermogen van het materiaal hebben. Dunnefilmperovskiet heeft in potentie een hogere energie-efficiëntie en is duurzamer en schoner qua grondstoffen dan bekende dunnefilmzonnecellen als CdTe (cadmium telluride) en CIGS (koper indium gallium di-selenide).
