EnergyVille in De Tijd: Limburgs labo sleutelt aan superzonnepanelen die tot de helft meer stroom opwekken

In de labo’s van EnergyVille in Genk sleutelen onderzoekers aan de nieuwste generatie zonnepanelen, die een pak performanter zijn dan de bestaande exemplaren. ‘Als we het slim aanpakken, kunnen we de Chinese dominantie doorbreken en een stuk productie terug naar Europa halen.’

‘Van die machine geen foto’s alstublieft. Je weet niet wie er straks meekijkt.’ In het labo van het onderzoekscentrum EnergyVille in Genk zijn ze op hun hoede. Een internationaal gezelschap van vorsers met witte stofjassen, handschoenen en blauwe plastic kapjes over hun schoenen loopt er af en aan tussen hermetisch afgesloten filterkasten waarin allerlei experimenten plaatsvinden. Via een rij ingebouwde rubberen handschoenen haalt een vrouw een klein buisje met gelige vloeistof tevoorschijn achter het vitrineraam. ‘Door hier een flinterdunne laag van aan te brengen, bijvoorbeeld op een glasplaat of folie, kunnen we de nieuwste generatie zonnecellen maken.’

De onderzoekers mikken niet op de standaard siliciumpanelen, zoals die wereldwijd al massaal op daken liggen en waarvan de technologie intussen zo op punt staat dat er amper nog marge lijkt voor verbetering. Internationaal is de aandacht verschoven naar een nieuw veelbelovend mineraal: perovskiet.

Door een dunne film van perovskietkristallen aan te brengen op een traditioneel siliciumpaneel, hopen de onderzoekers een reuzensprong te kunnen realiseren in de race naar steeds performantere zonne-installaties. Er komen dan als het ware twee lagen zonnepanelen boven op elkaar te liggen – vandaar de naam ‘tandempanelen’. Zo kan tot de helft meer stroomopbrengst gehaald worden dan met de doorsneepanelen die vandaag op de markt zijn.

‘In labo-omstandigheden zijn de resultaten ongelooflijk’, zegt Tom Aernouts. Hij is onderzoeksmanager bij het Leuvense halfgeleiderinstituut Imec, dat deel uitmaakt van het EnergyVille-consortium. ‘Siliciumzonnecellen kunnen vandaag in het labo tot 26 procent van het zonlicht omzetten in bruikbare elektriciteit, maar hun fysieke grens ligt wellicht ergens rond 29 procent. Door een extra laag perovskiet aan te brengen kunnen we nog verder gaan en de efficiëntie in het labo al boosten tot 34 procent. Zo kan je dus nog meer zonne-energie ‘oogsten’. Het zou de volgende grote stap kunnen zijn voor de zonne-industrie.’

Zonder zeldzame metalen

Het gebruik van perovskiet voor zonnepanelen is een vrij recente wetenschappelijke ontdekking. Het tijdschrift Science roemde de toepassing in 2013 als een van de doorbraken van het jaar. Sindsdien volgden de verbluffende resultaten elkaar in hoog tempo op en schreef de onderzoeksgroep uit Genk een aantal academische wereldrecords en doorbraken op haar naam. In verschillende labo’s werd aangetoond dat een dunne film met perovskietzonnecellen op eigen kracht al eenzelfde efficiëntie kan halen als de beste siliciumpanelen. Voeg de twee samen tot een tandem die een breder spectrum van licht capteert en je krijgt een superpaneel dat alle voorgaande ruimschoots overtreft.

In Europa zijn wij het enige onderzoekslabo dat al op deze schaal perovskietmodules kan maken.

Tom Aernouts
Onderzoeksmanager imec

‘Zo’n tandem met twee zonnecellen werd al gebruikt voor ruimtetoepassingen zoals satellieten, maar de technologie was veel te duur om op grote schaal te gebruiken’, zegt Aernouts. ‘Met perovskiet komt daar verandering in. Omdat je maar een heel dunne laag nodig hebt, volstaat minder dan een gram om een vierkante meter aan perovskietcellen te produceren. Je hebt ook geen hoge proceswarmte nodig om het te maken. Zo blijven zowel de materiaal- als de productiekosten beperkt. Bovendien zijn de materialen die je nodig hebt – zoals broom, jood, chloor, lood en tin – ruim voorradig en kan je ze in Europa produceren. Er komen geen zeldzame metalen aan te pas of schaarse mineralen waarvoor we afhankelijk zijn van landen als China.’

Opschalen

Aernouts toont een glazen plaatje van 3 op 3 centimeter dat in een filterkast boven een brandende lamp is gemonteerd. Verschillende sensoren en draden leiden naar een laptop die minutieus registreert hoeveel stroom de zonnecel opwekt.

‘Er zijn veel academische labo’s die zo’n zonnecel kunnen maken’, zegt Aernouts. ‘Maar met indrukwekkende resultaten in een labo heb je nog geen commercieel product. Zodra je groter gaat, heb je industriële apparatuur nodig. In Europa zijn wij het enige onderzoekslabo dat al op deze schaal perovskietmodules van 30 op 30 centimeter kan maken. Onze focus ligt echt op het opschalen en het ontwikkelen van processen die kunnen dienen om naar industriële productie te gaan.’

Aernouts loodst ons in zijn witte labojas langs een indrukwekkende reeks machines. In een afzuigkast worden poeders met de basiscomponenten volgens een uitgebalanceerd recept gemengd tot vloeibare perovskietinkt. Vervolgens gaat het naar de semigeautomatiseerde spin coater, waar de inkt op een bodemplaat of folie wordt gedruppeld en gelijkmatig wordt verspreid. Er vormt zich zo een microscopische laag perovskietkristallen, die zonlicht omzetten in stroom. Komen er verder nog aan te pas: ultraprecieze laser cutters, een sputtermachine (om coatings op een oppervlak aan te brengen) en een industriële ‘haardroger’ met de ronkende naam nitrogen knife.

‘Het zijn stuk voor stuk technieken die bekend zijn in de industrie, bijvoorbeeld om coatings of een gesputterde beschermlaag aan te brengen in de binnenkant van een zakje chips’, zegt Aernouts. ‘De zaak is nu om al die ervaring samen te brengen. Als we de juiste industrieën bij elkaar krijgen, moet het mogelijk zijn om een Europese productie op poten te zetten. We maken ons niet de illusie dat we de gevestigde markt van siliciumzonnepanelen plots zullen wegblazen. Maar we kunnen er wel een aanvulling op zijn. Als we het slim aanpakken, kunnen we de Chinese dominantie doorbreken en een relevant stuk productie terug naar Europa halen.’

25 jaar garantie?

Na de wetenschappelijke doorbraken is de grootste uitdaging – naast de opschaling – aantonen dat de nieuwe technologie betrouwbaar is. Perovskietkristal is zeer gevoelig en kan door het minste contact met water of lucht aangetast worden. Om het te beschermen wordt het hermetisch verpakt tussen twee glasplaten of flexibele folies.

Onze machines zijn er nu al op voorzien om straks perovskietcellen te verwerken. 

Bas van de Kreeke
CEO Soltech

‘De lat ligt heel hoog’, zegt Aernouts. ‘Een gewoon zonnepaneel heeft 25 jaar garantie en gaat ook nadien nog mee. Er zijn niet veel elektronische apparaten die door weer en wind zo’n lange levensduur halen. Hoewel we in labotests een betrouwbaarheidsniveau halen dat in de buurt komt van dat van siliciumpanelen, is perovskiet als materiaal nog niet voldoende bekend om te concluderen dat het even lang zal meegaan.’

Vanuit Cyprus, waar al twee jaar een veldexperiment loopt, kreeg imec samen met partners UHasselt, VITO en EnergyVille onlangs wel hoopgevende signalen. Een eerste generatie testmodules behield na een jaar in de buitenlucht nog 78 procent van haar efficiëntie, terwijl een vergelijkbare degradatie aanvankelijk al na enkele weken optrad. ‘Intussen hebben we weer lessen geleerd en staan we opnieuw verder’, zegt Aernouts.

Je zou perovskietcellen kunnen verwerken in het gebogen dak van een auto, de gevel van een gebouw, een glaspartij of een zeil van een schip.

Tom Aernouts
Onderzoeksmanager EnergyVille

Om de betrouwbaarheid verder aan te tonen en op punt te stellen zijn ook outdoor testopstellingen gestart bij het onderzoekscentrum Laborelec van Engie in de Rand rond Brussel en op locaties in Madrid, Freiburg, in de woestijn in New Mexico (VS) en binnenkort ook in Marokko. ‘Het is cruciaal om te tonen dat de modules in die verschillende omgevingen, met wisselende temperaturen en neerslag, goed standhouden. Als we die horde kunnen nemen, denk ik dat we over vier à vijf jaar producten op de markt kunnen brengen voor consumenten.’

Spin-off

De eerste aftastende gesprekken met investeerders zijn al gevoerd. ‘We kijken naar de mogelijkheid om een spin-off op te richten’, zegt Aernouts. ‘We willen daar dit jaar stappen in zetten.’

Een piste is om volop de kaart te trekken van tandempanelen met een hogere performantie dan bestaande zonnepanelen. Die zouden bijvoorbeeld toelaten op een klein oppervlak of dak toch optimaal zonne-energie op te wekken.

‘Maar industrieel opschalen zal tijd vergen. Als je voor grootschalige zonneparken wil concurreren met traditionele siliciumpanelen, dan ligt de prijscompetitie heel hoog’, zegt Aernouts. ‘Chinese producenten hebben de prijzen de jongste jaren enorm doen zakken via schaalvoordelen. Het wordt een uitdaging om met perovskiet binnen een aantal jaar een productieapparaat op te zetten dat daartegen kan opboksen.’

Een alternatieve aanpak kan erin bestaan eerst in te zetten op een aantal hoogwaardige niche-applicaties. Anders dan siliciumzonnepanelen is perovskietfilm een flexibel en transparant materiaal. ‘Je zou het dus kunnen verwerken in het gebogen dak van een auto, de gevel van een gebouw, een glaspartij of het zeil van een schip’, zegt Aernouts. ‘De transparante cellen kunnen ook interessant zijn voor overkappingen om landbouwgewassen te beschermen zonder al het licht weg te nemen.’

Productie naar Genk halen

Een van de ondernemingen die toekomst zien in perovskiet is Soltech, een Genks buurbedrijf van EnergyVille, dat geïntegreerde zonnepanelen produceert voor geveltoepassingen (muurpanelen, luifels, overkappingen). ‘Wij zitten ermee verveeld dat wij onze zonnecellen nu in China moeten kopen, omdat Europa geen goed alternatief heeft’, zegt CEO Bas van de Kreeke. ‘Het zou een erg goede zaak zijn als hier perovskietzonnecellen geproduceerd kunnen worden, het liefst op de Thor Park-site in Genk. Zulke verbeterde cellen zouden ons toelaten om esthetisch mooiere panelen met een hogere efficiëntie te maken. Wat nu uit het labo komt, zou de stroomopbrengst tot 30 procent kunnen verhogen: dat is echt wel een grote stap.’

Zelf investeren in een fabriek voor de productie van perovskietzonnecellen is voor Soltech te hoog gegrepen. ‘Dan spreek je van een investering van 250 tot 350 miljoen euro. Dat gaan we niet doen, maar onze machines zijn er nu wel al op voorzien om perovskietcellen te verwerken. Ik verwacht dat binnen twee jaar een voldoende hoeveelheid perovskietcellen beschikbaar zal zijn en we ermee kunnen starten.’

Aernouts beseft dat het risico bestaat dat westerse onderzoeksgroepen zoals Imec en EnergyVille de technologie ontwikkelen, waarna Chinese bedrijven de commerciële markt gaan domineren, zoals met silicium is gebeurd. ‘Daarom proberen we nu al Europese partijen te vinden en te overtuigen om in deze technologie te stappen’, zegt de onderzoeksleider. ‘We mikken op een Europese alliantie van onderzoeksinstellingen en bedrijven die hun schouders durven te zetten onder de bouw van een Europese productielijn. Opschalen vergt tijd, maar ik hoop dat perovskiet binnen 20 jaar effectief een verschil heeft gemaakt en misschien een aandeel van 50 procent kan veroveren in de wereldwijde zonnepanelenmarkt. Europa kan daarin een rol spelen, maar dan moeten we het wel proberen.’

Wil je meer weten over ons onderzoek naar PV?