Rendement van 30% bereikt met vier terminal perovskiet-silicium pv-tandemcellen

Het resultaat is gepresenteerd tijdens de 8e Wereldconferentie over fotovoltaïsche energieconversie (WCPEC-8) in Milaan en is bereikt door de nieuw opkomend perovskiet-zonneceltechnologie te combineren met conventionele siliciumzonneceltechnologie. De perovskiet-cel die transparante contacten heeft en de gestapelde tandem vormt, is onafhankelijk gecertificeerd.

Het realiseren van een hoge-vermogensdichtheid zal meer kansen creëren om deze zonnecellen te integreren in constructie- en bouwelementen, zodat meer bestaande oppervlakken kunnen worden bedekt met pv-modules. Het doorbreken van de 30%-barrière is dan ook een grote stap in het versnellen van de energietransitie en het verbeteren van de energiezekerheid, omdat we zo minder afhankelijk worden van fossiele brandstoffen.

Het beste van twee werelden

Met tandems kunnen hogere rendementen worden bereikt dan met enkelvoudige zonnecellen omdat het zonnespectrum beter wordt benut. De momenteel in opkomst zijnde tandems combineren commerciële siliciumtechnologie voor de onderste module met daar bovenop liggende perovskiet technologie: deze laatste biedt een zeer efficiënte conversie van ultraviolet en zichtbaar licht en een uitstekende transparantie voor nabij-infraroodlicht.

In tandems met vier terminals (4T: vier elektrische contacten) werken de bovenste en onderste cellen onafhankelijk van elkaar, waardoor het mogelijk is om in dit soort modules verschillende onderste cellen toe te passen. Zowel commerciële PERC-technologie als hoogwaardige technologieën zoals heterojunctie-, TOPCon- of dunnefilm technologie zoals CIGS kunnen in een 4T-tandem worden toegepast zonder noemenswaardige wijzigingen aan de zonnecellen. Bovendien maakt de architectuur met vier terminals het eenvoudig om bifaciale (tweezijdig licht invangende) tandems te implementeren, die de energieopbrengst verder verhogen.

Onderzoekers uit Nederland en België hebben de efficiëntie van de semi-transparante perovskiet-cellen weten te verbeteren naar 19,7% met een oppervlakte van 3x3 mm² en certificering van deze waarde verkregen van ISPRA (Italië).

“Dit type zonnecel heeft een hoogtransparant achtercontact waardoor meer dan 93% van het nabij-infrarode licht de onderste module bereikt. Dit resultaat is bereikt door eerst alle lagen van de semi-transparante perovskiet-zonnecellen te optimaliseren met behulp van geavanceerde optische en elektrische simulaties, als leidraad voor het experimentele werk in het laboratorium”, aldus dr. Mehrdad Najafi van TNO. “De siliciummodule is een 20 x 20 mm² grote heterojunctie-zonnecel met geoptimaliseerde oppervlaktepassivatie, transparante geleidende oxides en verkoperde voorzijdecontacten voor state-of-the-art geleiding van elektrische lading”, zegt Yifeng Zhao, promovendus aan de TU Delft, wiens resultaten onlangs door collega’s beoordeeld zijn.

De optisch onder het perovskiet liggende siliciummodule draagt met 10,4% efficiëntiepunten bij aan de totale conversie van zonne-energie. Gecombineerd is de conversie-efficiëntie van deze ‘non-area matched’ 4T-tandems die onafhankelijk werken 30,1%. Dit beste rendement ter wereld is gemeten volgens algemeen aanvaarde procedures.

Toekomst van tandem-pv-modules met vier terminals

Dat is nog niet alles. Het combineren van deze hoogtransparante perovskiet-cel met andere, op silicium gebaseerde technologieën zoals achtercontact (“Metal Wrap Through”- en ” Interdigitated Back Contact”)-cellen en TOPCon-zonnecellen heeft eveneens conversie-efficiëntiewaarden opgeleverd die de 30% benaderen. Dit bewijst het potentieel van deze flexibele, hoogtransparante perovskiet-zonnecellen om te worden gecombineerd met uiteenlopende reeds gecommercialiseerde technologieën.

Deze beste efficiëntiewaarden ter wereld, gerealiseerd door het combineren van een groot aantal gevestigde technologieën, zijn een nieuwe mijlpaal richting industriële toepassing.

Met dank aan:

• TNO (Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek), Tandem PV Tandem Technology & Application-programma, ondersteund door Samenwerkingsmiddelen Onderzoek (SMO) van het Nederlandse ministerie van Economische Zaken en Klimaat en de partners Forschungszentrum Jülich, SolarLab Aiko Europe en ENEL Green Power 3Sun.

• Nederlands Joint Solar Program III (JSP III), een samenwerkingsverband van de Technische Universiteit Delft (TU Delft), Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), Universiteit van Amsterdam en onderzoeksinstituut AMOLF. Het doel van JSP III is fundamentele kennis te verwerven en technologieën te ontwikkelen die nodig zijn om tandems met een rendement van 30% te realiseren op basis van kristallijn silicium en dunnefilm-perovskietzonnecellen.

• Hiper XL: Dit werk is medegefinancierd in het kader van het RVO/TKI Urban Energy-programma (TKI toeslag) voor onderzoek en innovatie via het HIPER XL-project (projectnummer 1921202). Dit project wordt onder auspices van SOLAR-ERA.NET Cofund ondersteund door RVO (NL), Tubitak (TR), AEI (ES). SOLAR-ERA.NET wordt ondersteund door de Europese Commissie binnen het EU-kaderprogramma voor onderzoek en innovatie HORIZON 2020 (Cofund ERA-NET-actie, nr. 691664).