Expert Talk: Hebben dunnefilm-PV-systemen hun perfecte match gevonden in elektrische-energie-producerende bouwelementen?

Nieuws27-08-2019

Fotovoltaïsche (PV) elektrische energieopwekking is de snelst groeiende duurzame energiebron, waarbij 95% van de paneelproductie tegenwoordig op basis van silicium is en slechts 5% dunne film. Toepassingen gaan van gebouwtoegepaste (building applied of BAPV) naar gebouw-geïntegreerde (building integrated of BIPV) PV-systemen. De eerste zijn eenvoudige dak-installaties, terwijl de laatste PV-systemen zijn met een extra functie als bouwelement, zoals een dakpan of gevelelement. Deze expert talk bespreekt het potentieel van dunne-film-PV-technologieën voor dergelijke gebouw-geïntegreerde PV-toepassingen.

Geschreven door Bart Vermang, professor aan EnergyVille/UHasselt/imec. Barts werk is gericht op de ontwikkeling van nieuwe materialen voor dunnefilm-PV-zonnecellen en -toepassingen, waaronder gebouw-geïntegreerde PV (building integrated PV of BIPV).

De PV-markt groeit en wordt momenteel gedomineerd door silicium

Momenteel zijn grootschalige PV-systemen erg goedkoop en in veel gevallen leveren ze elektrische energie tegen een lagere prijs dan die van conventionele elektrische energiebronnen. Prijzen blijven bovendien dalen terwijl prijzen van conventionele energie met zekerheid verder zullen stijgen. Als logisch gevolg hiervan verwachten veel studies een aanhoudende toename van de PV-capaciteit in de komende jaren. Momenteel is 95% van alle moduleproductie gebaseerd op silicium (Si), die dus uiteraard de marktleider vormt. Figuur 1 (a) geeft een dergelijk Si-zonnepaneel weer, gebruikt bij het bouwen van building applied PV (BAPV, meestal geïnstalleerd op daken) en (grote) PV-systemen voor nutsbedrijven. In de begindagen van PV-dak-installaties waren dergelijke BAPV-systemen niet bijzonder esthetisch maar het uiterlijk is aanzienlijk verbeterd, zoals respectievelijk wordt getoond in figuren 1 (b) en (c),

a) Typisch Si zonnepaneel gefabriceerd door marktleider JinkoSolar.
b) Begindagen: niet zo mooie Si PV installatie.
c) Recente esthetische Si PV installatie.

Uitgedaagd door dunnefilm-PV, dat potentieel heeft maar momenteel slechts een klein marktaandeel

Alternatieve commerciële PV-technologieën met hoge rendementen (> 22% in het laboratorium en > 18% voor de betere commerciële systemen, gelijkwaardig met hoogwaardige standaard Si PV-technologieën) zijn gebaseerd op dunne films zoals koper indium gallium selenide (CIGS) ) of cadmium telluride (CdTe). Dunnefilm-PV-systemen maken gebruik van zeer dunne films zoals weergegeven in figuur 2 (a), waar een CIGS-zonnecel van enkele micrometers dik wordt weergegeven (in vergelijking met Si-zonnecellen met een dikte van meer dan 100 micrometer). Naast de hoge efficiëntie is van deze dunnefilm-technologieën ook aangetoond dat ze milieuvriendelijk, betrouwbaar, recycleerbaar, kostenefficiënt zijn en superieure prestaties leveren in diffuse lichtomstandigheden en bij hoge temperaturen. Helaas begon onderzoek en ontwikkeling (O&O) voor dunnefilm-PV-technologieën pas enkele decennia na Si, en ondanks al hun intrinsieke voordelen vertegenwoordigen dunnefilm-technologieën nog steeds slechts een klein marktaandeel (ongeveer 5% zoals weergegeven in figuur 2 ( b)). Het lijkt erg moeilijk om te concurreren met een technologie met een lange geschiedenis, veel industriële spelers en die sterk is in schaalvergroting, zoals Si. Daarom is een grote nichemarkt zeker welkom.

a) (CIGS) dunnefilm-zonnecel dwarsdoorsnede, die een dikte van enkele micrometers toont
b) Globale PV-moduleproductie, bestaande uit 95% Si en 5% dunne- film in 2017

BIPV-systemen hebben een nieuwe functie en zien er beter uit

BIPV is een recent type van PV-toepassingen, dat verwijst naar PV-systemen die zijn geïntegreerd in de elementen van de bouwschil, zoals bouwmaterialen als dakpannen en keramische of glazen gevels. Het is een ultramoderne technologie die de integratie van PV-cellen in architecturaal aantrekkelijke gebouwen mogelijk maakt, wat belangrijk is voor steden en dus zeker geen kleine markt is (naar schatting 90% van het elektriciteitsverbruik vindt plaats in grote steden). Afbeelding 3 geeft een paar dunnefilm-BIPV-toepassingsvoorbeelden: De Hantile van Hanergy (die zonne-energieproducten integreert in platte en schuine daken, ramen, gevels, vliesgevels en plafonds), en BIPV-shingles van Flisom (waarvan de lichte, gitzwarte en ultradunne, flexibele zonnepanelen op daken en gevels kunnen worden aangebracht).

a) De Hantile van Hanergy, waarbij alle zichtbare oppervlakten van het gebogen zonnedak bedekt zijn met dunnefilm-PV. Dit product wordt reeds gebruikt voor residentiële daken in Zweden.
b) BIPV-shingles, gemaakt van staal met een geïntegreerde dunnefilmlaag. Dit systeem werd geïnstalleerd op een huis in Stambrugge, België.

Dunnefilm-PV-systemen zijn licht en flexibel, ook in grootte en kleur, en bieden een groot potentieel voor BIPV-toepassingen

Dunnefilm-PV-technologieën hebben inherent een aantal belangrijke voordelen voor hun integratie in succesvolle BIPV-concepten. Zoals reeds getoond in figuur 2 (a) zijn dunnefilm-zonnecellen erg dun, wat betekent dat ze kunnen worden geïntegreerd op flexibele (bijv. roestvrijstalen en polyimide-films) en dus lichtgewicht substraten. Afbeelding 4 toont twee voorbeelden van dergelijke flexibele en lichtgewicht dunnefilm-PV-installaties, zoals uitgevoerd door MiaSolé en Midsummer.

a) Flexibele MiaSolé zonnepanelen geïnstalleerd op een serre.
b) Lichtgewicht Midsummer zonnepanelen geïnstalleerd op het membraan-dak van de Tele2 Arena in Stockholm.

Dunnefilm-PV-systemen zijn ook visueel superieur vanwege de toegepaste zonnecel-interconnectie-strategie. Figuur 5 verduidelijkt hoe dunnefilm-PV-modules bestaan uit reeksen lange zonnecellen naast elkaar – verticaal weergegeven in figuur 5 – met microscopische openingen ertussen (in vergelijking met esthetisch minder gunstige opstellingen van Si-zonnecellen in Si-modules, bijv. de 6×10 zonnecelmontage in Figuur 1 (a)).

a)Schematische weergave van een (CIGS) dunnefilm-PV-moduledwarsdoorsnede die 2 aaneenliggende cellen toont.
b) (CIGS) dunnefilm-PV-module bovenaanzicht, toont verschillende verticale zonnecellen.

Deze monolithische interconnectie-methode resulteert in visueel aantrekkelijke zwarte dunnefilm-PV-modules. Bovendien biedt het ook flexibiliteit in modulegrootte en kleur, wat wordt bewezen door AVANCIS in figuur 6 (a) (ook NICE Solar Energy heeft een productaanbod met dezelfde kleuren). Als de openingen tussen de aangrenzende zonnecellen worden vergroot, kunnen zelfs semi-transparante modules worden vervaardigd, zie figuur 6 (b). In BIPV-toepassingen zijn ook diffuse lichtomstandigheden, hoge temperaturen en een gedeeltelijke schaduw meer gebruikelijk, wat ideaal is voor dunnefilm-PV-technologieën. Samengevat zijn dunnefilm-PV-technologieën uiterst veelzijdig waardoor ze makkelijk toepasbaar zijn in BIPV-systemen: ze kunnen worden toegepast op gebogen oppervlakken; ze kunnen op maat worden gemaakt; ze kunnen verschillende kleuren hebben of transparant zijn zodat ze in vensters kunnen worden geïntegreerd; en ze kunnen zelfs van flexibel materiaal worden gemaakt.

a) De Avancis POWERMAX dunnefilm-PV-panelen, aanpasbaar in maat of kleur. Nice Solar Energy heeft een gelijkaardig product.
b) Semi-transparant dunnefilm-PV-paneel van Solar First.

Dunnefilm-PV-bedrijven concentreren zich op deze groeiende BIPV markt

De meeste (CIGS) dunnefilm-PV-bedrijven – bijv. AVANCIS, NICE Solar Energy, Midsummer, Flisom, alle Hanergy-bedrijven – bieden PV-producten aan gericht op BIPV-toepassingen. Tijdens de 10e internationale workshop over CIGS dunnefilm-zonneceltechnologie (CIGSTECH) was het duidelijk dat BIPV-toepassingen een belangrijke markt voor deze bedrijven zijn. Als gevolg hiervan is er momenteel een golf van nieuwe, grootschalige investeringen in de productie van CIGS dunnefilm-PV-systemen van grote energiespelers en industriële spelers aan de gang. Ongeveer 600 MW CIGS-productiecapaciteit werd in 2018 toegevoegd met uitbreidingsplannen voor meerdere gigawatt productie. Als voorbeeld streeft Hanergy (Solibro, Miasolé, Global Solar) momenteel naar een productievermeerdering van minstens 600 MW CIGS-capaciteit in zowel flexibele als glas-gebaseerde formaten. Deze focus van fabrikanten van dunnefilm-PV op BIPV-toepassingen hangt nauw samen met de evolutie van het regelgevingskader. Een belangrijk stuk Europese wetgeving is de EU-richtlijn betreffende de energieprestatie van gebouwen, die vereist dat alle nieuwe gebouwen tegen het einde van 2020 bijna energieneutraal zijn. BIPV-systemen zullen cruciaal zijn voor het koolstofarm maken van de gebouwen in Europa. Tegenwoordig zijn gebouwen verantwoordelijk voor 36% van de CO₂-uitstoot van de EU, maar gebouwen kunnen zelf 32% van de energievraag van de EU leveren, als ze installaties op locatie gebruiken, zoals zonnepanelen of gebouw-geïntegreerde zonne-energie. Wordt dit de start van dunnefilm-BIPV-systemen? De nabije toekomst zal het ons leren.

Voornaamste takeaways

Fotovoltaïsche (PV) dak-installaties zijn tegenwoordig BAPV (gebouwtoegepaste PV) systemen. Dergelijke systemen werden visueel al aangenamer in vergelijking met de begindagen van PV-installaties op het dak.
Esthetisch nog aangenamer zijn BIPV-systemen (gebouw-geïntegreerde PV-systemen). Dit zijn PV-systemen geïntegreerd in omhullende elementen van gebouwen, zoals bouwmaterialen, dakpannen en keramische of glazen gevels.
Dunnefilm-PV-technologieën hebben tegenwoordig een klein marktaandeel. Dergelijke technologieën kunnen licht en flexibel zijn, ook in grootte en kleur, wat belangrijke voordelen biedt voor BIPV-toepassingen.
De EU-richtlijn Energieprestatie Gebouwen vereist dat alle nieuwe gebouwen tegen het einde van 2020 bijna-energieneutraal zijn. Daarom richtenfabrikanten van dunnefilm-PV zich momenteel op de ontwikkeling en marketing van dunnefilm-BIPV-systemen.

Gerelateerd onderzoek bij EnergyVille

Enerzijds zijn er onderzoeksteams die zich richten op de ontwikkeling van (nieuwe) chalcogenide en perovskiet materialen en de optimalisatie van deze materialen geïntegreerd in zonnecellen en -panelen, inclusief zeer efficiënte tandemconcepten (bijvoorbeeld perovskiet op chalcogenide). Anderzijds is er een team dat werkt aan de verbetering van de ontwerpstrategieën van PV-modules (bijvoorbeeld voor BIPV-toepassingen) en voorspelling van de energieopbrengst (er is een metrologisch lab voor BIPV, zowel binnen als buiten). Uiteraard is er veel samenwerking tussen alle genoemde teams.