EV-expert talk: materiële duurzaamheidsaspecten voor PV-technologie
Zonne-energie is een van de belangrijkste energiebronnen voor het koolstofvrij maken van onze economie. Aangezien er nog een sterke groei in deze sector verwacht wordt, is het belangrijk om niet enkel rekening te houden met efficiëntie, maar ook de duurzaamheid van de PV-productie. In deze Expert Talk gaan we dieper in op de duurzaamheidsaspecten van verschillende PV-technologieën.
Geschreven door Jonathan Parion, doctoraatsstudent bij IMO-IMOMEC, en Bart Vermang, professor bij UHasselt en imec.
Het multi-TW tijdperk
Opwekking van elektriciteit met fotovoltaïsche panelen (PV) wordt momenteel beschouwd als een van de belangrijkste energiebronnen voor het koolstofvrij maken van onze economie. Zonne-energie biedt vele voordelen zoals een lage kost, goede betrouwbaarheid, weinig onderhoud en veel integratiemogelijkheden. Er worden momenteel verschillende scenario’s overwogen voor het voorspelde geïnstalleerde PV-vermogen in de komende jaren, zoals ook weergegeven in figuur 1 van de ITRPV-roadmap (1).
Elk van deze scenario’s gaat uit van een ander doel van elektrificatie tegen 2050, wat een zeer belangrijke sleutel is om onze samenleving koolstofvrij te maken. Met uitzondering van het meest conservatieve scenario, bestaat er een consensus dat de jaarlijkse PV-markt vóór 2050 voorbij de TWp zal moeten groeien. In deze zogenaamde “TW-markt” wordt jaarlijks 1 TWp aan extra PV-capaciteit geïnstalleerd, wat ongeveer overeenkomt met 100 moderne kerncentrales (d.w.z. met een individuele capaciteit van 1,6 GW). Ter vergelijking: het totale geïnstalleerde vermogen in 2022 bedroeg ongeveer 268GWp (2) of 27 kerncentrales. In het meest optimistische scenario, dat ons ook het meest waarschijnlijk zal helpen om het Parijs-akkoord van 2015 te halen, zou deze jaarlijkse markt zelfs groeien tot naar schatting 1 TWp vóór 2030, en tot meer dan 3 TWp na 2040. Als gevolg van deze toename in productie zal er een overeenkomstige toename van de vraag naar materialen zijn. Daarom is het van het grootste belang om te onderzoeken of de huidige technologische behoefte aan materialen verenigbaar is met de TW-markt.
Materiële overwegingen in een multi-TW zonne-PV-markt
In een recente studie van P. Verlinden (3) werden de materiaaluitdagingen voor PV-productie op TW-niveau onderzocht. Uit deze studie zijn verschillende materialen zoals koper, aluminium, staal, glas en polysilicium geïdentificeerd als niet-kritisch voor het TW-tijdperk. De term niet-kritisch houdt voornamelijk in dat hun productie hoog genoeg zal blijven zodat ze geen leveringsproblemen opleveren voor de productie van PV op de lange termijn. Het is echter nog steeds mogelijk dat deze materialen, vanwege de hoge druk op vraag en aanbod, aanzienlijke schommelingen in de PV-kosten veroorzaken. Dit werd onlangs waargenomen in het geval van polysilicium, dat in 2019 12% van de totale kosten van een PV-module uitmaakte en in 2021 was gestegen tot 44% van de totale kosten (4) als gevolg van de stijging van de productieprijs. Desondanks wordt verwacht dat vanwege de overvloed aan de grondstof (kwarts) de productiecapaciteit de komende jaren sterk zal toenemen, waardoor de prijzen zullen dalen. Vanwege de niet-kritieke aard van deze materialen op het niveau van PV-modules, vormen ze in het algemeen niet de focus van deze studie. Toch is het noodzakelijk om te onthouden dat ze een probleem kunnen worden bij het overwegen van implementatie in een groot systeem. Oplossingen zoals de recyclage van deze materialen moeten zo snel mogelijk geïmplementeerd worden.
Afgezien van deze overvloedige materialen, ligt de echte uitdaging voor de multi-TW-schaal van PV-productie eigenlijk in de schaarste van sommige andere materialen (3, 5). Deze schaarste wordt tegenwoordig erkend door een toenemend aantal wetenschappers, maar ook door marktleiders zoals Trina Solar (op één na grootste producent van PV in 2022). Materialen, zoals zilver, indium en bismut, zijn meer dan een miljoen keer minder aanwezig in de aardkorst dan silicium (Figuur 2). Deze materialen worden in verschillende hoeveelheden gebruikt in de drie belangrijkste PV-technologieën, voornamelijk afhankelijk van het type elektrisch contact, zoals weergegeven in figuur 3.
Om de materiaalbehoefte voor een bepaalde technologie te kwantificeren, wordt over het algemeen het materiaalverbruik in tonnen beschouwd voor elke geïnstalleerde GW PV (t/GW, ook gelijk aan mg/W). Om duurzaam te blijven, mag het jaarlijkse verbruik van elk materiaal voor PV niet meer bedragen dan 20% van de jaarlijkse productie. Deze drempel geldt omwille van andere toepassingen voor deze materialen (5). In functie hiervan wordt een maximaal verbruik van een materiaal vastgelegd voor doelstellingen van respectievelijk 1 TWp of 3 TWp productie per jaar.
In de huidige PV-technologie (PERC) is zilver de belangrijkste beperkende factor voor duurzame productie (Figuur 4). Voor een beoogde productie van 1 TWp moet het zilververbruik per module minimaal twee keer lager zijn en voor een productie van 3 TWp minimaal zes keer lager. Dit is zelfs nog lager voor andere technologieën die zilver gebruiken voor zowel het voor- als achterkant contact (TOPCON & SHJ). In figuur 4 wordt ook de verwachte reductie weergegeven die door ITRPV wordt voorspeld als gevolg van technologische verbetering. Het lijkt erop dat dit niet ambitieus genoeg is om de TW-markt te betreden en daarom moeten andere zilvervrije contacten worden overwogen. Hiervoor wordt momenteel het gebruik van koper en aluminium onderzocht.
Indium is ook een zeer belangrijke beperkende factor bij het overwegen van de SHJ-technologie (Figuur 4). Het wordt gebruikt in transparante geleidende lagen (TCO’s), onder de vorm van indium-tinoxide (ITO), dat helpt om de laterale geleidbaarheid van de elektrische contacten te vergroten. Om een potentiële productie van 1 TW/j te bereiken, zou het indiumverbruik met minstens een factor 4 moeten worden verminderd. Dit zou een goed argument kunnen zijn tegen een markttransitie naar deze technologie, in het voordeel van PERC (en/of TOPCON, maar met hoger Ag verbruik dan PERC). Om het indiumverbruik in SHJ-cellen te verminderen, moeten andere indiumvrije TCO-lagen worden onderzocht.
Ten slotte is bismut nog een materiaal waarbij in de nabije toekomst schaarste kan optreden. Het wordt momenteel gebruikt in soldeerpasta voor lage temperaturen, de zogenaamde “SmartWire-technologie”. Bismut is vooral interessant voor de productie van SHJ-zonnecellen, waarvan de geringere dikte lagere verwerkingstemperaturen met zich meebrengt, maar het zou in de toekomst ook in andere technologieën kunnen worden gebruikt. Het solderen bij lage temperatuur vormt een belangrijk voordeel, omdat het de overgang naar dunnere en grotere wafels mogelijk maakt, wat de kosteneffectiviteit van het fabricageproces verhoogt. Daarom is het belangrijk dat er alternatieven worden onderzocht voor het solderen bij lage temperatuur gebaseerd op materialen die wel voldoende aanwezig zijn in de aardkorst.
Tandemzonnecellen
Aangezien single-junction zonnecellen hun praktische efficiëntielimiet bereiken, wordt er steeds meer onderzoek gedaan naar tandemzonnecellen (6). Deze combineren twee verschillende absorptielagen om de zogenaamde “thermalisatie verliezen” die verantwoordelijk zijn voor minder geabsorbeerd zonlicht, en dus een lager rendement, te verminderen. De ITRPV-roadmap voorspelt dat deze technologie rond het jaar 2026 op de markt komt. Het is daarom bijzonder interessant om de vraag te stellen of deze tandemcellen materieel duurzaam zijn. Voor zilver en indium wordt dit weergegeven in figuur 5.
Voor zilver blijkt de overgang naar tandemzonnecellen zeer gunstig te zijn, waarbij PERC-tandemtechnologie de doelstelling voor de jaarlijkse productie van 1 TWp dicht benadert. Dit komt vooral door de verhoogde efficiëntie van de cel, voor een gelijke gebruikte hoeveelheid zilver. Voor indium is het beeld anders. Op dit moment is er een grote variatie in het gerapporteerde indiumverbruik, afhankelijk van de fabrikant en de gebruikte technologie. Tandems met vier terminals (4T) zijn niet duurzaam in termen van indiumverbruik vanwege extra vereiste TCO lagen. Twee terminal (2T) tandems hebben het potentieel om minder indium nodig te hebben indien PERC wordt gebruikt in plaats van SHJ als onderste cel. Bovendien is er een afhankelijkheid van de hoeveelheid indium die nodig is voor de perovskieten-topcel, die sterk kan variëren. Over het algemeen is de belangrijkste boodschap dat tandems het potentieel hebben om duurzamer te zijn dan single-junction cellen, maar dat dit duurzaamheidsaspect best vroeg in hun ontwikkelingsproces wordt overwogen.
Belangrijkste leerpunten
- De belangrijkste boodschap is dat er een dringende noodzaak is om niet alleen te focussen op het verbeteren van de efficiëntie van PV, maar ook op het garanderen van een duurzame PV-productie, zelfs in een multi-TW jaarlijkse markt. Op dit moment is er geen technologie die dit kan garanderen, zelfs niet op 1 TW-niveau (Figuur 6).
- We moeten veel ambitieuzer zijn in onze doelstellingen dan wordt gesuggereerd door het ITRPV-rapport, waarin materiële schaarste tot op de dag van vandaag niet eens wordt overwogen.
- Vermindering van zilver in contacten en indiumvrije transparante geleidende lagen zijn de belangrijkste technologische sleutels voor duurzame PV-productie.
- De PERC-technologie die momenteel op de markt is, is de meest duurzame single-junction-technologie en zou op termijn kunnen worden uitgebreid met 2T-tandems. Een vermindering van het zilververbruik en indiumvrije TCO’s moeten samen de overgang naar de TW-markt mogelijk maken.
Referenties
1. International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV) (2022).
2. E. F. Dijeau, Global solar capacity additions hit 268 GW in 2022: BNEF. Pv Mag. USA (2022), (available at https://pv-magazine-usa.com/2022/12/23/global-solar-capacity-additions-…).
3. P. J. Verlinden, J. Renew. Sustain. Energy. 12, 053505 (2020).
4. What’s next for polysilicon? – pv magazine International, (available at https://www.pv-magazine.com/magazine-archive/whats-next-for-polysilicon/).
5. Y. Zhang, M. Kim, L. Wang, P. Verlinden, B. Hallam, Energy Environ. Sci. 14, 5587–5610 (2021).
6. The tandem module, a unique opportunity to reboost EU PV industry, (available at https://www.imec-int.com/en/imec-magazine/imec-magazine-june-2020/the-t…).