Wim Sinke & Albert Polman - Perovskiet zonnecellen: heilige graal of hype?

De zonne-energiewereld staat op zijn kop. In nog geen twee jaar tijd is het rendement van zonnecellen gemaakt van perovskietmaterialen omhooggeschoten tot meer dan zestien procent. Zo’n snelle stijging is uniek in de geschiedenis van de vele typen zonnecellen die in laboratoria zijn en worden ontwikkeld. De opwinding is nog vergroot doordat het gerenommeerde blad Science perovskietzonnecellen als een van de belangrijke wetenschappelijke doorbraken van 2013 heeft betiteld.

Door Wim Sinke en Albert Polman *)

Wij delen het enthousiasme over de spectaculaire wetenschappelijke ontwikkeling van deze herontdekte familie van materialen. Het is volkomen terecht dat daaraan ook in Nederland op diverse plaatsen onderzoek wordt gedaan. Tegelijkertijd worden er in de media appels met peren vergeleken en is er sprake van kennelijk gebrek aan inzicht in wat zonnestroom goedkoop maakt. Het gevaar van overselling en de daaropvolgende teleurstelling is aanwezig. 'Kostendoorbraken' die werden voorspeld in de jaren tachtig (amorf siliciumzonnecellen) en negentig (kleurstofzonnecellen) van de vorige eeuw zijn tot op de dag van vandaag bezig om een plaatsje op de markt te bevechten. Bovendien doen ze dat in een andere vorm dan waarin ze destijds zijn uitgevonden.
Een laboratoriumzonnecel is iets heel anders dan een commercieel verkrijgbaar zonnepaneel en een zonnepaneel is nog geen compleet zonnestroomsysteem. Panelen zijn, kort gezegd, onderling verbonden, zorgvuldig ingepakte en van elektrische aansluitingen voorziene zonnecellen. Systemen zijn onderling verbonden, stormvast gemonteerde en van elektronica voor netaansluiting of elektriciteitsopslag voorziene zonnepanelen. De opwekkosten van zonnestroom worden bepaald door de kosten en de prestaties van het systeem, niet van de cel. Zelfs gratis zonnecellen leveren geen goedkope zonnestroom als ze een te laag rendement, onvoldoende stabiliteit of een te korte levensduur hebben. Dat heeft meerdere nieuwe typen zonnecellen de weg naar de markt ernstig bemoeilijkt of zelfs onmogelijk gemaakt.

Het hoogste rendement dat tot nu toe werd behaald met een laboratoriumzonnecel van perovskiet is op dit moment ruim zestien procent. Dat moet worden vergeleken met het record van bijna zesentwintig procent voor kristallijn silicium, de dominante technologie op de markt. Commerciële silicium zonnepanelen halen een rendement van vijftien tot tweeëntwintig, afhankelijk van het type. De kosten van een compleet systeem worden voor ruwweg één derde bepaald door de materiaal- en fabricagekosten van de cellen. Goedkope zonnecellen leveren daarom niet automatisch goedkope stroom. Het grootste deel van de kosten zit in de inpakking van cellen, draagconstructies, bekabeling, elektronica, installatiearbeid, et cetera. Bijna al die kosten worden lager (per opgewekte kilowattuur zonnestroom) naarmate het rendement van de cellen hoger is, want de installatie kan dan compacter worden gebouwd voor dezelfde elektriciteitsopbrengst.

De afgelopen jaren zijn de fabricagekosten en verkoopprijzen van siliciumpanelen drastisch gedaald en dat heeft ervoor gezorgd dat zelf opwekken van zonnestroom in Nederland nu al goedkoper is dan het inkopen van gewone stroom. Dat is een topprestatie van wetenschap en techniek en heeft een enorme hoeveelheid bloed, zweet en tranen gevergd. Toch zijn die panelen nog lang niet aan het einde van hun ontwikkeling. Door combinaties met dunne filmtechnologieën en door de introductie van nanotechnologieën zal het paneelrendement kunnen toenemen tot 30% of meer. Samen met efficiënter materiaalgebruik en de toepassing van nieuwe materialen zal dat de kosten nog aanzienlijk verder verlagen. Verder hebben siliciumpanelen over decennia in de praktijk bewezen een zeer lange levensduur te hebben. Met deze perspectieven kunnen alle doelstellingen voor grootschalige inzet van zonnestroom worden gehaald en zelfs veel meer dan dat.
Samenvattend, de lat ligt hoog voor de introductie van volledig nieuwe soorten zonnepanelen; qua kosten, prestaties en levensduur. Daar komt bij dat de nu gebruikte perovskieten nog giftige stoffen bevatten. Voor grootschalige toepassing is dat ongewenst en zullen alternatieven gezocht moeten worden. Met dit alles is overigens niets ten nadele van de ontwikkeling van perovskietzonnecellen en –panelen gezegd. Potentieel kunnen ze immers een belangrijke rol gaan spelen. De weg 'van lab naar fab naar dak' is echter lang en vol struikelblokken. Het is in het belang van de ontwikkeling van zonnestroom dat we koesteren wat we hebben en daarmee de broodnodige ervaring opdoen. Parallel kunnen we werken aan nieuwe technologieën. In Nederland verdubbelde het aandeel zonnestroom in de elektriciteitsproductie zowel in 2012 als in 2013; het is nu een half procent. De uitdaging is om die stijgende trend met nog grotere snelheid voort te zetten. Het echte werk moet dus nog beginnen. Als nieuwe technologieën zoals perovskieten goedkoper blijken te zijn dan de bestaande en net zo betrouwbaar en duurzaam, ligt de gigantische mondiale markt voor ze open. Als dat onverhoopt niet zo blijkt te zijn is er geen man over boord, want de gereedschapskist met technologieën en ideeën is al goed gevuld. Zonnestroom kan niet mislukken, perovskieten of niet.

*) Wim Sinke is manager programmaontwikkeling bij ECN Zonne-energie in Petten en als adviseur verbonden aan het FOM-Instituut AMOLF in Amsterdam. Albert Polman is programmaleider Lichtmanagement in Nieuwe Fotovoltaïsche Materialen bij AMOLF. Beiden zijn tevens als hoogleraar verbonden aan de Universiteit van Amsterdam.