Silicium zonnecellen zijn heel betrouwbaar, perovskiet is veel belovend, dus zoek de winst in een combinatie van beide. Met dat uitgangspunt maakten Zwitserse ingenieurs een tandemzonnecel met een efficiency van ruim 25 %.
In de zoektocht naar steeds efficiëntere zonnecellen ging de laatste jaren veel aandacht naar perovskiet, een zout-metaalverbinding met prachtige eigenschappen voor een zonnecel: gevoelig voor het hele spectrum van het zonlicht, en gemakkelijk en goedkoop te produceren. Wat grootschalige toepassing tot nu in de weg staat, is dat het materiaal kwetsbaar is voor vocht en relatief snel degradeert. Er wordt dan ook intensief gezocht naar methodes om dat op te lossen. (Lees bijvoorbeeld ‘Zeer stabiele zonnecel van perovskiet’ en ‘Laagje maakt perovskiet-zonnecel stabieler’.)
Bovengrens
De zonnecellen die nu in grotere getale op daken en zonneweides staan, zijn echter van kristallijn silicium: ze zijn betrouwbaar, hebben een voldoende lange levensduur en de productie ervan wordt steeds goedkoper. Maar in de zoektocht naar een steeds grotere stroomopbrengst bereiken silicium cellen zo langzamerhand hun theoretische bovengrens van 29,4 %. Dat heeft ermee te maken dat silicium slechts gevoleig is voor een beperkt deel van het hele spectrum dat de zon naar de aarde straalt: een groot deel ervan kan het silicium niet in stroom omzetten. De panelen die nu massaal worden gebruikt, hebben een efficiency van rond de 22 % en er zijn inmiddels ook panelen die 26,6 % halen.
Zogeheten tandemcellen vormen een al lang beproefd concept om tot hogere efficiëntie te komen. Daarbij worden verschuillende materialen op elkaar gestapeld, elk met de meest gunstige eigenschappen voor een bepaald deel van het zonlicht. In het lab is zo inmiddels een efficiency van bijna 33 % gehaald; het theoretisch maximum van die tandemcellen ligt rond de 45 %. Probleem is alleen dat de productie ervan veel kost. Daarom worden ze alleen gebruikt voor bijzondere toepassing, zoals op de zonnepanelen van satellieten en ruimtesondes.
Polijsten
Met de opkomst van het goedkope perovskiet ligt het voor de hand om ook eens te kijken naar de combinatie silicium-perovskiet. Het lukt al om zo'n tandem in het lab te produceren, maar het bleek tot nu toe lastig er een industrieel productieproces mee maken, wat nodig is voor grootschalige toepassing. De structuur van het siliciumoppervlak van de cel moet namelijk wel geschikt zijn om het perovskiet eraan te hechten.
Die structuur van het oppervlak van het kristallijne silicium is te vergelijken met een dicht bezaaid piramidelandschap. Tot nu toe wordt dat gladgepolijst om het perovskiet erop aan te brengen. Maar dat gaat ten koste van de goede werking van de silicium cel.
De Zwitserse ingenieurs van de EPFL in Lausanne en het PV-Lab in Neuchâtel hebben nu een methode bedacht om de piramidestructuur van de siliciumcel volledig intact te laten en daar een keurig laagje perovskiet op te deponeren. Dat doen ze door een combinatie van de technieken opdampen en spincoating. Daarmee wisten ze een cel te produceren met een efficiency van ruim 25%; ruim 3% beter dan met de bestaande methode om een silicium-pervoskiet-tandem te produceren.
Werk aan de winkel
Volgens de auteurs is het door hen ontwikkelde productieproces voor het laagje perovskiet relatief gemakkelijk te integreren in het gebruikelijke productieproces van silicium zonnecellen. Er komen hooguit een paar stappen bij; verder verandert het niet wezenlijk. Dat is goed nieuws voor de productiekosten van de tandemcel.
Punt blijft nog wel de stabiliteit van het perovskiet. De gevoeligheid voor hitte en vocht is niet veel anders dan bij de cellen van alleen perovskiet. Wat betreft degradatie door de instraling van het zonlicht doet het perovskiet in de tandem het duidelijk wel beter, een duidelijk winstpunt. Maar al met al blijft er voor de stabiliteit nog werk aan de winkel, ook om de efficiency verder op te voeren. Volgens de Zwitserse ingenieurs ligt een efficiency van 30 % binnen bereik.
Openingsfoto: het oppervlak van de tandem-cel met de silicium piramiden en daar bovenop het laagje perovskiet. Foto EPFL.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.