Zonnestroom: grenzen rendement verder opgerekt

Versnellen energietransitie

“Een belangrijke stap in de energietransitie. Hoe hoger het rendement, hoe meer zonnestroom per oppervlak je kunt opwekken. Dankzij de doorbraken tot 50% meer. Bovendien zijn we er al in geslaagd zonnemodules visueel aantrekkelijk in bestaand oppervlak te verwerken, zoals gevels van gebouwen, wegen, geluidsschermen, auto’s. Dit versnelt het tempo van de energietransitie”, aldus Gianluca Coletti, TNO-expert op het gebied van zonne-energie.

Nieuwe grenzen door tandemtechnologie

“We zijn constant in gevecht om de grenzen op te zoeken van conventionele zonnecellen. Wat jaren geleden voor onmogelijk werd gehouden, maken we vandaag mogelijk tegen marktconforme kosten. Nu is het tijd voor een grote verandering en over te stappen op zogenaamde tandemtechnologie. Het geeft veel voldoening om van de theoretische limieten van conventionele technologie een nieuwe werkelijkheid te maken. Vervolgens gaat het erom dat het bedrijfsleven hiervan een rendabel product weet te maken en het op grote schaal wordt verwerkt in zonnemodules.”

Stapelen zonnecellen tot tandem

Het geheim achter de nu behaalde resultaten is het stapelen van verschillende typen zonnecellen tot een zogeheten tandem zonnecel. Zo’n 90% van alle zonnepanelen wereldwijd bestaat nu uit kristallijn silicium. Het rendement van dit materiaal is deze eeuw al verdubbeld tot ruim twintig procent, terwijl de kosten enorm zijn gedaald. Daarnaast is perovskiet als basismateriaal voor zonnecellen in opkomst.

In het Solliance samenwerkingsverband hebben deskundigen van TNO en de Technische Universiteit Eindhoven een ultra-transparante en zeer goed presterende perovskiet-topcel ontwikkeld. Deze zijn gecombineerd met bodemcellen die door TNO met industriële partners en door de TU Delft zijn ontwikkeld. Dat leverde twee records op van 29,2 en 29,7% rendement.

Slimme combinaties van materialen

“Door de tandems verder te perfectioneren denken we binnen afzienbare tijd de grens van 30% te overschrijden en percentages tot 35% zijn door slimme combinaties van materialen en processen haalbaar”, vertelt Gianluca.

“Het bedrijfsleven staat te trappelen met ons aan de slag te gaan om de technologie die we hebben ontwikkeld in hun producten te verwerken. Daar doen we het ook voor. Een wereldrecord is mooi, maar het gaat erom dat deze zonnecellen straks grootschalig energie opwekken op daken van bedrijfsgebouwen, in gevels, wegdek, in zonneparken of wat ook maar voorhanden is.”

Ruimtebeslag voorkomen

Het realiseren van steeds hogere opbrengsten tegen gelijkblijvende of zelfs dalende kosten is van groot belang in dichtbevolkte en bebouwde landen als het onze waar de ruimte schaars en kostbaar is. De huidige opbrengst van gangbare zonnemodules onder volle zon bedraagt ruwweg 200 watt per vierkante meter. Door de inzet van tandemtechnologie is dat op te voeren tot boven de 300 watt per vierkante meter, een toename van 50 procent. Zulke hoge opbrengsten maken het bovendien mogelijk om veel meer bestaand oppervlak efficiënt te benutten door bijvoorbeeld zonnecellen te integreren in bouwelementen zodat veel meer bestaand oppervlak efficiënt is te benutten.

Opschalen is een continue ontwikkeling

“Door het rendement per vierkante meter op te voeren gaat ook de kostprijs van het hele zonnesysteem omlaag. Het mes snijdt aan twee kanten”, zegt Gianluca. “We werken doorlopend aan een hoger rendement van de zonnemodule en aan opschaalbaarheid voor industriële toepassing. In het lab zitten we met de bijna dertig procent rendement op een oppervlak van een paar vierkante millimeter, maar dat doen wij met opschaalbare processen. Het formaat moet naar honderden vierkante centimeters met hetzelfde rendement. Dan wordt het interessant voor het bedrijfsleven. Dat opschalen is voor ons een continue ontwikkeling.”

Ideale combinaties

Kristallijn silicium als huidig dominant materiaal voor zonnemodules, nieuwe materialen zoals perovskiet, module-ontwikkelingen zoals tandems en tweezijdig: de TNO-experts zoeken permanent naar de ideale combinaties voor een optimaal resultaat. Behalve het stapelen van silicium en dunnefilm perovskiet doen zij ook onderzoek naar volledig op dunnefilm gebaseerde tandems, door de combinatie perovskiet met koper indium gallium selenide (CIGS) en op de lange termijn perovskiet met perovskiet. Dit materiaal is relatief goedkoop en is in ultradunne en ultralichte lagen op een ondergrond aan te brengen.

Betrouwbaarheid en circulariteit

Alle combinaties van zonnecellen en modules worden uitvoerig getest onder de meest extreme omstandigheden. Om de betrouwbaarheid te testen, worden ze in speciale klimaatkasten blootgesteld aan onder meer afwisselend en versneld hoge en lage temperaturen met verschillende gradaties in vochtigheid en licht. Omdat het om nieuwe technologie gaat, zijn er ook compleet nieuwe stresstesten nodig. Verder werken de experts aan alternatieve beschermende coatings voor het verbeteren van recycling van zonnemodules. Betrouwbaarheid, stabiliteit en levensduur moeten voor tenminste 25 jaar zijn gegarandeerd.

Deze resultaten zijn mogelijk gemaakt dankzij de vruchtbare samenwerking tussen imec, TU/e, TU Delft en TNO.

Lees meer over hoe TNO tandem-pv ontwikkelt voor industriële toepassingen.