2022, wat een geweldig jaar! Het was het jaar waarin de PV-industrie 1 terawatt aan wereldwijde PV-installaties bereikte en dat de eerste tandemzonnecel een conversierendement van meer dan 30 procent bereikte door silicium- en perovskietmaterialen te combineren. Velen noemden deze 30 procent de psychologische barrière voor de technologie: een soort inwijding voor perovskiet als opkomende technologie. De wetenschappelijke PV-gemeenschap haast zich naar een nieuw rendementsrecord.

Perovskiet is een nieuwe materiaalfamilie die de PV-wereld snel veroverde; een wereld die vaak erg terughoudend is om ‘onder de indruk’ te raken van innovaties die als baanbrekend worden gepresenteerd. Perovskiet-zonnecellen worden echter, vanwege hun eenvoudige fabricage en unieke eigenschappen, massaal bestudeerd in academische en industriële laboratoria.

Slechts tien jaar na de introductie in PV van perovskiet werd al een laboratoriumrecord van 25 procent behaald met een cel van alleen dit materiaal. Het overtreffen van de rendementslimiet van cellen opgebouwd uit één materiaal, zoals silicium, perovskiet of CIGS, terwijl het lage kostenpotentieel behouden blijft, is momenteel de belangrijkste rendementsuitdaging voor de PV-gemeenschap.

Dat kan tot nu toe alleen als in plaats van één enkel materiaal, twee materialen worden gebruikt voor de omzetting van licht in elektriciteit. Silicium en perovskiet zijn de belangrijkste kandidaten. Silicium omdat dit hét materiaal van de energietransitie op terawattschaal is en perovskiet vanwege zijn afstembare materiaaleigenschappen en zijn lage-kosten potentieel.

De combinatie biedt de potentie om meer dan 30 procent rendement te bereiken met lage kosten en brede implementatie. Met deze twee materialen als startpunt ontstond er een sprint om de limiet van 30 procent te doorbreken: ‘de 30 procent race!

In 2022 is niet één keer, maar meerdere keren de grens van 30 procent doorbroken door het combineren van deze materialen. Eerst door Zwitserse onderzoekers van CSEM/EPFL, daarna door TNO, Tu Eindoven, imec en TU Delft - partners binnen Solliance - en tot slot door het Helmholtz-Zentrum Berlin dat met hun tandemcel een rendement van meer dan 32 procent haalde. Afgelopen april is de grens door onderzoekers van het Saoedi-Arabische KAUST zelfs nog verder verhoogd naar 33,2 procent.

Eerdere PV-races
Was dit de eerste ‘race in de PV-gemeenschap? Absoluut niet. Kijkend naar de bekende rendementsgrafiek van NREL met de wereldkampioenen is het duidelijk dat er ook vergelijkbare patronen waren rond de 20 en 25 procent rendementsmijlpalen. Let op de toename van de celrendementsrecords vlak voordat de mijlpaal wordt bereikt.

De laatste jaren zien we de ‘ultieme race. Dit is het doel om het hoogste praktijkrendement te bereiken voor een siliciumzonnecel, het mondiale werkpaard van de industrie, met een theoretische limiet van ongeveer 29 procent. Het nieuwste record staat op naam van Longi met 26,8 procent en veel bedrijven zijn van plan dit binnenkort te verbeteren.

Leven na de race

Historisch gezien is er na het bereiken van een belangrijk record een periode waarin de ontwikkeling lijkt te vertragen. Na de haast in aanloop naar 20 procent was er een periode van tien jaar waarin geen nieuw record werd behaald. Evenzo was er een kloof van twintig jaar nadat de drempel van 25 procent was bereikt.

Dus, wat gebeurt er in de PV-gemeenschap tussen elk belangrijk record? Om het te begrijpen, moet men niet alleen naar de rendementsgrafiek van de laboratoriumrecords kijken, maar ook naar rendementstrends in productie en toepassing van systemen.

De meeste van deze records worden eerst behaald op kleine oppervlakken, in onderzoek. De volgende stap is het opschalen door middel van innovaties om de fabricage en maakbaarheid te vereenvoudigen en uiteindelijk tot massaproductie te brengen. Dit vereist de inzet van de wetenschap, onderzoeksinstituten en bedrijven.

Na een haastperiode richt het onderzoek zich op het verkleinen van de kloof tussen rendementsrecords in laboratoria en de in massa geproduceerde cellen. Als de geschiedenis zich herhaalt, zullen vanaf dit jaar de belangrijkste middelen worden gericht op de industrialisatie van perovskiet en silicium-tandemcellen en -modules.

Er zijn vier grote uitdagingen bij het realiseren van commerciële tandems. Ten eerste moet, op basis van de recordtechnologie, de best presterende materiaalcombinatie worden opgeschaald naar voor de industrie relevante afmetingen van meer dan 100 vierkante centimeters.

Ten tweede moet de betrouwbaarheid van een dergelijke cel of paneel met een groot oppervlak worden bewezen in relevante buitenomstandigheden. Ten derde hebben alle potentiële technologieën een gedetailleerde techno-economische analyse nodig van de kosten en baten, de haalbaarheid van productie en een (hopelijk) volledige levenscyclusanalyse. Dit omvat de materiaalbeschikbaarheid en nieuwe apparatuur voor de depositie van perovskiet en andere cellagen.

Ten slotte moet de mogelijkheid van een grootschalige productie – met niet-schaarse materialen die snel te bewerken zijn – van een betrouwbare, kosteneffectieve, volledig geïntegreerde tandemcel en module worden aangetoond, wil de technologie bankable zijn. Alleen dan zou de 30 procent race de cyclus hebben voltooid.

Natuurlijk, voor de wetenschappelijke gemeenschap is er na een nieuw belangrijk record altijd een nieuwe drempel. Voor tandemcellen ervaren we de snelle toename van rendementsrecords die typerend zijn voor de vroege ontwikkelingsfase van een nieuwe technologie met een enorm potentieel. Hoe lang zal het duren om de 35 procent te bereiken?