Zonnepanelen in 2050: ‘Kristallijn silicium blijft werkpaard, tandem met perovskiet de standaard’

Wie aan cutting edge zonnecelonderzoek denkt, denkt niet als eerste aan Djedda in Saudi-Arabië.
‘De King Abdullah University of Science and Technology – KAUST – is een relatief nieuwe universiteit. Ze werd in 2009 opgericht. Maar de research-faciliteiten die hier zijn neergezet, steken met kop en schouders uit boven alles wat ik tot nu toe heb gezien. Binnen ons Solar Center wordt op vele fronten gewerkt aan pv – naast silicium en perovskiet bijvoorbeeld aan organische zonnecellen, fundamenteel materiaalonderzoek en ook meer toegepaste zaken zoals duurzaamheid in warmere klimaten – en er worden mooie resultaten geboekt.’

Zoals het wereldrecord dat jullie onlangs meldden…
‘We realiseerden een rendement van meer dan 33,2 procent van een perovskiet-siliciumtandemzonnecel. Dat werd bevestigd door European Solar Test Installation (ESTI). Hiermee brengen we die technologie weer een stap verder, uiteraard op laboratoriumschaal.’

Waar startte jouw carrière als zonnecelonderzoeker?
‘Bij imec, inmiddels meer dan 20 jaar geleden. Daarna heb ik onder andere gewerkt bij AIST in Japan en EPFL in Zwitserland. 2 decennia geleden waren we blij met een rendement van 15 à 16 procent voor een zonnecel. Vrijwel niemand geloofde in die tijd dat het ooit veel meer dan 20 procent zou worden. Nu hebben we met onze tandem die 16 procent dus ruim verdubbeld.’

Het rendement van kristallijn silicium is ook fors toegenomen.
‘Dat is een enorme prestatie. Ooit werden siliciumwafers van de hoogste kwaliteit alleen voor elektronica gebruikt. We geloofden niet dat die ooit in zonnepanelen zouden worden toegepast. Dat is wel gebeurd door een drastische kostenreductie en dat was een doorbraak. Het rendement neemt jaarlijks met zo’n half procent toe en dat is fenomenaal.’

Wie mag de credits daarvoor op zijn naam schrijven?
‘De complimenten moeten voor een flink stuk uitgaan naar China. Dat is misschien niet de meest populaire opmerking. Het nam de productie van zonnecellen en zonnepanelen over van Europa en dat was pijnlijk. Maar de kosten werden naar beneden gebracht en de kwaliteit werd beter. Een modern zonnepaneel heeft nu een rendement van meer dan 20 procent. In laboratoria is al een efficiëntie van 26,8 procent geboekt.’

Het theoretische maximum ligt op 29,4 procent.
‘Er is dus nog ruimte om deze technologie door te ontwikkelen, bijvoorbeeld met heterojunctie- en TOPCon-zonnecellen en in bifacials op korte termijn. Ook op langere termijn staan nog heel wat verbeteringen voor de boeg. Alternatieve baanbrekende concepten voor standaardzonnepanelen zitten niet onmiddellijk in de pijplijn. Er is even nagedacht over een derde generatie zonnecellen; producten die fysische effecten beter uitbuiten, bijvoorbeeld door meer van het lichtspectrum te vangen en dus meer elektronen te produceren. Dat was een interessante exercitie. Maar de verwachtingen zijn niet ingelost, behalve dan voor tandems uiteraard. Het werkpaard is en blijft silicium, tenzij één of ander genie met een wonder komt, wat nooit uitgesloten is. De volgende logische stap is dus silicium in tandem met perovskiet.’

Er zijn meerdere typen tandems met silicium denkbaar, waarom perovskiet?
‘In principe zou het kunnen met andere dunnefilmtechnologieën zoals amorf silicium. Waar je rendementsverbeteringen verwacht, is echter het omgekeerde het geval vanwege te grote verliezen op elektrisch vlak. Het heeft dan ook niet tot commerciële producten geleid en dat zal ook niet gebeuren. De belofte van perovskiet is echter groot. Met het materiaal kunnen dunne, goedkope en zeer efficiënte zonnecellen worden gemaakt die uitermate geschikt zijn voor toepassing in tandem met silicium.’

Maar er zijn ook grote uitdagingen.
‘Die zitten met name in de stabiliteit. Niemand heeft nog een silicium-perovskietzonnepaneel voor veel langer dan een jaar in het veld getest. Er zijn nog nauwelijks data ten aanzien van de degradatiesnelheid. Je kunt dus ook nog niet nauwkeurig de zogenaamde genivelleerde energiekosten (lcoe) bepalen, en dat is waar het onder de streep om draait. In feite zou de degradatie van de perovskietlaag die van silicium moeten benaderen, hooguit zo’n 0,4 procent per jaar, om het commercieel haalbaar te maken.’

Wanneer gaan we ze op de markt zien? Er zijn fabrikanten die ze al aankondigen.
‘Dat is moeilijk te zeggen. De vooruitgang van silicium schuilt deels in grootschalige productie en gebruik. Er worden heel veel data verzameld en informatie gegenereerd waardoor parameters constant kunnen worden bijgesteld in het kader van optimalisering. Gewoonweg op een gegeven moment starten met die tandems is zinnig vanuit dat oogpunt. Dan moet je echter ook bereid zijn initiële beperkingen en teleurstellingen te accepteren, maar die wel snel feedback geven naar verdere verbeteringen toe. Ik schat in dat we een jaar of 4 à 5 verder zijn voordat we de eerste producten zien.’

De volgende zonne-energierevolutie is dan een feit?
‘Ik zou het eerder evolutie willen noemen. Tegen die tijd bereiken we commercieel zowat de grens van wat mogelijk is met siliciumzonnecellen. Door een laag perovskiet toe te voegen, en in de verdere toekomst meerdere lagen, ontstaan nieuwe limieten en daar groeien we langzaam naartoe. Dat is de toekomst.’

Daarnaast wordt er hard gewerkt aan dunnefilmzonnefolies, bijvoorbeeld ten behoeve van integratie met gebouwen…
‘Zonne-energie moet straks overal zijn, zo hoor je vaak. Ik geloof dat er in dat kader dus ook een toekomst is voor zonnefolies, bijvoorbeeld in nieuwbouw, ramen, gevels, auto’s, infrastructuur… Maar om een echt aantrekkelijk product te hebben, zullen zulke folies wellicht vergelijkbare performantie en betrouwbaarheid moeten tonen als siliciumzonnepanelen, wat toch wel nog wat bijkomend onderzoek vergt.’