De productie van perovskiet zonnecellen terugbrengen naar Europa, de productie opschalen, een nieuw type coating ontwikkelen én zorgen dat de zonnecellen circulair en betaalbaar zijn. Het is allemaal onderdeel van het Ultima-project: een TKI Urban Energy project dat wordt geleid door TNO. İlker Doğan, onderzoeker en een van de teamleiders van de perovskiet zonnecel-groep van TNO, vertelt over het Ultima-project.

Doğan: “Welke technologie je ook gebruikt, siliconen, perovskiet of organisch, om het te laten overleven in de buitenomgeving moeten ze ‘verpakt’ of wel ingekapseld worden. Normaal is daar een high-end materiaal van erg hoge kwaliteit voor nodig om die zonnecellen te beschermen tegen regen, hitte, ultraviolet licht van de zon, zodat het zo’n 20 of 25 jaar kan overleven. Vaak zijn dat polymeermaterialen, die zijn erg duur en moeten als laag worden aangebracht in de lamineer-structuur. In Ultima gaan we kijken naar de haalbaarheid van coatable encapsulant materials.”

Momenteel wordt er meestal een zachte rubber-achtige polymeerlaag aangebracht op de cellen “Daar heb je stukken van, die plak je op je zonnecel, gebruikt hitte en druk om het op je zonnepaneel te smelten”, legt Doğan uit. Tijdens dit proces wordt ook een beschermende bovenlaag aangebracht, over die polymeer-inkapseling heen. “Eigenlijk is het hetzelfde als bij een papier dat je lamineert”, vertelt Doğan verder.

“Maar in het Ultima project wordt naar een andere methode gezocht om het coating-materiaal direct op de zonnecel aan te brengen. Daarbij wordt onderzocht of er dan nog andere (dure) beschermlagen nodig zijn, of dat een (goedkoper) alternatief gebruikt kan worden.” Dit is dus een van de doelen van het Ultima-project: een stap in het productieproces wegnemen door het inkapselen mee te nemen in de coating-stap.

Op grotere schaal en lokaal produceren
Een ander belangrijk onderdeel van het Ultima-project is het opschalen van de productie van perovskiet zonnecellen. Het doel is om het uiteindelijk op te schroeven naar roll-to-roll productie. Dat kan momenteel al voor perovskiet zonnecellen, maar het doel is dat dat in de toekomst ook kan met de nieuwe beschermlaag die in het Ultima-project ontwikkeld wordt.

Daarbij gaat het niet alleen om het opschalen van de productie, maar is het ook belangrijk dat die productie in Europa plaatsvindt. “Ook naar aanleiding van de verklaring van Europese Commissie om PV-productie terug te brengen naar Europa, is dat dus een van onze missies op het moment”, vertelt Doğan.

Eigenlijk bij alle projecten waar de onderzoeksgroep aan werkt, is het doel om een eindgebruiker te hebben die de resultaten kan gebruiken en die de productie in Europa kan uitvoeren. Bij TKI-projecten is dat op kleinere schaal, want daar gaat het om productie in Nederland.  

Circulariteit
Tenslotte zijn ook economische haalbaarheid en circulariteit onderdeel van het onderzoek. “We weten al wat de benodigdheden zijn van deze processen. Bijvoorbeeld welke oplosmiddelen worden gebruikt, hoe milieuvriendelijk die zijn, wat hun ecologische voetafdruk is, of ze te recyclen zijn, en of er een ander materiaal op de markt is dat bijvoorbeeld biobased is.” In het project wordt onderzocht op welke manier die milieu-impact verlaagd zou kunnen worden.

Doğan: “Er wordt ook gekeken naar de economische haalbaarheid, want de prijs is erg belangrijk voor de consument. Samen met het circulariteits-aspect maken we life cycle assesments of het mogelijk is om het materiaal te recyclen en of er anders back-up plannen zijn.” Hierin worden niet alleen het productieproces, maar ook naar de selectie van materialen meegenomen.

Onderzoekspartners
In het project werkt TNO samen met Unique Qolors en HyET Solar. HyET Solar heeft al een roll-to-roll productielijn in Arnhem, maar dan voor een ander type zonnecellen. Zij willen graag overschakelen naar – de meer efficiënte - perovskiet zonnecellen, en willen daarbij hun infrastructuur behouden. “Ons doel is om op te schalen naar roll-to-toll en HyET Solar is een eindgebruiker die geïnteresseerd is om perovskiet panelen te implementeren in hun technologie”, vertelt Doğan.

Doğan: “TNO gaat zelf geen productie doen, maar we valideren wel de techniek die gebruik kan worden op roll-to-roll-schaal. Ik verwacht dat we al deze lagen kunnen maken met een aantal roll-to-toll-technieken. En dat partners in ons ‘ecosysteem’ deze uitkomsten zal gebruiken en het in hun productieproces gaat gebruiken – en een van hen is HyET Solar, dat is ook waarom zij meedoen aan het project.”

Unique Qolors houdt zich bezig met de encapsulatie, en neemt hun kennis mee om het inkapselen van de zonnecel te realiseren. Daarvoor gaan Unique Qolors onderzoek doen naar specifieke polymeren die als inkapselingslaag kunnen worden aangebracht op de perovskiet zonnecel.

Een stap in een keten van onderzoek
Je kan het project zien als een stap in een aaneenschakeling van meerdere projecten, vertelt Doğan. “In dit project onderzoeken we de ontwikkeling van inkapselings-processen en applicatiemethodes die op dit moment nog niet bestaan in onze technologie. Als de resultaten veelbelovend zijn, zullen er follow-up projecten zijn om te laten zien dat het functioneel is, dat het bijvoorbeeld op een gebouw kan worden aangesloten, of op een voertuig, een zonneweide op zee of land.”

“Ik ben persoonlijk ook geïnteresseerd om te duiken in Industry 4.0 aspecten, dus snelle proces optimalisatie en ontwikkeling. Bijvoorbeeld door met data, AI en machine learning een digital twin te maken van een roll-to-roll productielijn om die te optimaliseren en feedback te krijgen over het proces in de echte wereld.” Dit soort thema’s worden volgens Doğan steeds belangrijker. Hij vindt dan ook dat je daar als onderzoeker dan ook mee bezig moet zijn. “We moeten voorlopers zijn als organisatie om de ontwikkelingsprocessen van dit soort technieken te versnellen.”