Europa’s plan B: dunne film tandem zonnecellen
Om de energietransitie tegen 2050 te volbrengen is er wereldwijd meer dan een half miljoen vierkante kilometer extra oppervlakte aan zonne-energie nodig, of ongeveer de oppervlakte van Spanje. Toch, indien we verder rekenen op de huidige fotovoltaïsche applicaties, die hun theoretische limieten naderen. Onder leiding van imec hebben experts wereldwijd samengewerkt binnen het PERCISTAND-project, met wereldrecord brekende efficiënties (tot 30%) van dunne film tandem zonnecellen als resultaat. Deze zonnecellen bieden niet alleen perspectieven voor goedkope productie op grote schaal, maar zijn ook duurzamer vergeleken met de huidige siliciumpanelen, vooral wanneer geproduceerd in Europa. Met de groeiende vraag naar zonne-energie, toont deze technologie zich dus als een interessante aanvulling op traditionele siliciumpanelen.
Dit artikel verscheen ook in Eos Wetenschap.
Een nieuwe dageraad voor zonne-energie
Zonnepanelen zijn een bekende en veelbelovende bron van hernieuwbare energie, cruciaal om de energietransitie succesvol te maken. De huidige zonnepanelen op de markt, voornamelijk gemaakt van silicium, bereiken een efficiëntie van ongeveer 25%. Dit betekent dat een kwart van het beschikbare zonlicht daadwerkelijk wordt omgezet in elektriciteit.
Bovendien maakt hun massaproductie, voornamelijk in lagelonenlanden in Azië, ze economisch aantrekkelijk. Hierdoor worden ze massaal als duurzame energieopwekker ingezet. Omdat de huidige zonnecellen meestal worden geproduceerd op glazen ondergrond – en dus rigide zijn – kunnen ze alleen op vlakke oppervlakten worden geplaatst. Ideaal dus voor daken, gevels of onbenutte terreinen. Die laatste wordt echter meer omstreden, met in Nederland zelfs een verbod op het plaatsen van zonne-energie op landbouw- en natuurgronden, gezien de schaarste ervan.
Als we blijven gebruik maken van de huidige technologieën, dan zullen we volgens recente schattingen tegen 2050 maar liefst zeshonderdduizend vierkante kilometer extra land nodig hebben voor zonne-energie productie alvorens we de klimaatdoelstellingen halen – of ook de totale oppervlakte van Spanje. De zoektocht om zo min mogelijk extra, vaak kostbare, ruimte in te nemen en tegelijkertijd voldoende te verduurzamen, gaat dus verder.
Materiaalcombinaties voor maximale efficiëntie
Wat als we de efficiëntie van zonnecellen verder kunnen verbeteren? Met andere woorden, wat als we meer zonlicht kunnen benutten en dus minder ruimte nodig hebben voor dezelfde hoeveelheid energieopwekking? De theoretische bovengrens voor de optimale werking van een zonnecel bestaande uit een enkel materiaal bedraagt 30 procent. Maar door materialen te combineren zullen we hogere rendementen kunnen bereiken.
De oplossing schuilt dus in tandem zonnecellen. Deze bestaan uit twee of meer lagen van verschillende materialen, elk ontworpen om een ander deel van het zonnespectrum te absorberen. Door de combinatie van een boven- en onder-zonnecel kunnen we de theoretisch gezien een efficiëntie van 60% voor energieomzetting bereiken. Eerste commerciële opties zullen waarschijnlijk rond een realistische 30-35% efficiëntie blijven.
Een veelbelovende materiaalcombinatie voor tandemcellen is die van perovskiet en silicium. Perovskiet, een veelbelovend materiaal vanwege zijn aantrekkelijke chemische eigenschappen, heeft de laatste jaren indrukwekkende vooruitgang geboekt op het gebied van stabiliteit en opschaling. Maar bij deze combinatie zullen de beperkingen van silicium nog steeds gelden: alleen vlakke oppervlakken lenen zich voor de plaatsing van dit soort tandem zonnecellen.
Onzichtbare zonne-energie opwekking
Efficiënter zou zijn om bestaande bouwmaterialen te voorzien van zonnecellen. Zo creëren we bijna onzichtbare zonne-energieopwekking, zonder kostbare ruimte op te geven. Deze zonnecellen vereisen echter een geheel nieuwe aanpak voor hun fabricage, gezien ze niet langer op bestaande vlakke oppervlakken worden geplaatst, maar geïntegreerd moeten worden met bestaand materiaal en dus veel flexibeler van aard moeten zijn.
Zonnecellen op basis van dunnefilm materiaal, lenen zich uitstekend voor deze toepassing. Bij dunnefilm zonnecellen wordt een flinterdun laagje fotovoltaïsch materiaal geplaatst op diverse substraten, zoals flexibele kunststof of lichtgewicht metalen. Maar de technologie staat nog in zijn kinderschoenen. Enfoil en Soltech, beide spin-offs van imecs onderzoek binnen EnergyVille, hebben al aangetoond dat integratie van zonnecellen in voertuigen of gebouwen met dunne film materiaal mogelijk is.
Het integreren van bijvoorbeeld een zonnedak in een elektrisch voertuig (EV) wordt pas echt interessant wanneer de efficiëntie hoog genoeg is om de batterij van de wagen te ontlasten. Bij gebouwintegratie geldt uiteraard ook: hoe hoger de efficiëntie, hoe minder afhankelijk van het net, hoe beter. Waarom zouden we dan niet twee dunnefilm materialen combineren op dezelfde oppervlakte, en zo de energie-omzetting verhogen? Zulke combinaties bieden niet alleen een hogere efficiëntie, maar behouden ook hun flexibiliteit en lichtheid, waardoor ze geschikt blijven voor diverse toepassingen.
PERCISTAND: een veelbelovende combinatie
Een interessante dunnefilm combinatie is die van perovskiet en Cu(In,Ga)Se2 (CI(G)S, een combinatie van koper, indium of gallium en selenide). Deze combinatie werd specifiek onderzocht binnen het PERCISTAND-project, een Horizon 2020 gefinancierd initiatief onder leiding van imec, waarbij zowel academische als industriële partners betrokken waren. Coördinator professor Bart Vermang (EnergyVille/imec/UHasselt): “Theoretisch gezien is de combinatie van een een perovskiet en CIS-zonnecel heel interessant, maar het vereist wel twee verschillende velden, die van organische en anorganische dunne film, om samen te werken. Dat is ook de sterkte van onze tandem technologie binnen het PERCISTAND-consortium; we hebben voor de eerste keer experts vanuit Europa, Australië en de VS samengebracht.”
Terwijl bij traditionele zonnecellen de eigenschappen vastliggen vanwege het laagje silicium, biedt CIS de mogelijkheid om te spelen met de exacte verhoudingen (bijvoorbeeld meer gallium in het mengsel nemen) en dus ook de fysieke eigenschappen aan te passen. Zo kan de CIS-zonnecel perfect worden afgestemd op de bijbehorende top- of ondercel (hier: perovskiet) om fotonen zo efficiënt mogelijk op te vangen.
“Met deze combinatie van materialen zijn we erin geslaagd om stabiele zonnecellen te fabriceren en hebben we wereldrecords gebroken met hun efficiëntie: tot 30% voor op celniveau, kleiner dan 1cm2, en 21% voor modules van 5 x 5 cm2. Het consortium heeft meer dan 50 peer-reviewed publicaties geproduceerd, waaronder in de prestigieuze journals Nature Energy en Joule.”
Europa’s strategische kwestie: (on)afhankelijkheid?
Efficiënte dunne film tandem zonnecellen bieden zo een plan B nu Europa voor een belangrijke beslissing staat: blijven we afhankelijk van goedkope PV-import uit China, of gaan we voor een strategische heroverweging van onze eigen productiecapaciteit? De vraag wordt urgenter nu China een dominante positie heeft verworven in de wereldwijde markt voor zonne-energie en elektrische voertuigen, met 80% van de wereldwijde productiecapaciteit voor zonnepanelen en een groeiende markt voor EV’s.
In februari 2023 presenteerde de Commissie daarom het Green Deal Industrial Plan om de concurrentiekracht van Europa’s net-nulindustrie te versterken en de overgang naar klimaatneutraliteit te versnellen. Dit plan, samen met de Net-Zero Industry Act van maart 2023, beoogt tegen 2030 minstens 40% van de benodigde net-nultechnologieën binnen de EU te produceren. Deze maatregelen moeten de afhankelijkheid van geïmporteerde technologie verminderen en een duurzamer energiesysteem creëren.
Van laboratorium naar markt
Maar de weg van laboratoriumtesten naar marktintroductie is lang. Professor Sebastien Lizin (EnergyVille/UHasselt) en zijn team berekenden daarom hoe haalbaar en duurzaam de PERCISTAND-technologie is op lange termijn. Hiervoor werd de Levelized Cost of Energy (LCOE, een maatstaf voor de totale kosten van een energieproject versus de energieopbrengst) en GHG emission factor (GEF, een maatstaf voor uitgestoten kg CO2-equivalent per geproduceerde kWh energie) per technologie berekend, voor zijn productie en plaatsing in ofwel de EU, VS of China. Hierbij werd rekening gehouden met prognoses voor de samenstelling van de energiemix in alle regio’s en de verschillen in loon- en materiaalkosten.
Uit deze analyse blijkt dat de dunnefilm tandem zonnecellen, bij productie op megawatt-schaal, potentieel concurrerend kunnen zijn met silicium qua prijs (mits een competitieve levensduur bereikt kan worden en verliezen bij opschaling beperkt blijven). Daarnaast bleek ook dat ze een meer duurzame optie bieden voor de toekomst van zonne-energieproductie. Wanneer ze worden geproduceerd in Europa, zou dit leiden tot bijna 60% minder CO2-uitstoot dan traditionele silicium PV-productie in China.
Professor Lizin verklaart: “In vergelijking met traditionele siliciumpanelen vereist de productie van dunne film tandem zonnecellen minder energie en grondstoffen, wat resulteert in een gelijkaardige LCOE en een lagere CO2-voetafdruk. Daarnaast staat de duurzame elektrificatie van ons energiesysteem al veel verder, in tegenstelling tot de VS of China, en zal dit ook zo blijven, zelfs indien hun energietransitieplannen in voege komen.”
De weg naar duurzame energie
Wat vaststaat is dat in de komende jaren er extra productiecapaciteit zal moeten worden ingezet om te voldoen aan de groeiende vraag naar zonne-energie. Naast de huidige silicium zonnecellen bieden dunne film tandems zich nu aan als kans voor het diversifiëren van onze Europese toeleveringsketen. Het doel is duidelijk, de kennis is er en de technologie is volop in ontwikkeling. Nu rest alleen de vraag: welke weg kiezen we naar een duurzamer elektriciteitssysteem tegen 2050?
