Dunnefilm zonnecellen kennen we al sinds het midden van de vorige eeuw, bijvoorbeeld in zakrekenmachines. Lange tijd werden ze aanzien als een goedkoop alternatief voor de klassieke silicium-gebaseerde zonnecellen, weliswaar ten koste van een lagere efficiëntie. Dankzij slimme stapelingen van meerdere cellen (zogenaamde tandem- of multi-junction cellen) kan hun efficiëntie echter wedijveren met siliciumzonnecellen en overtreft ze zelfs al op laboratoriumschaal.
Bepaalde dunnefilmtechnologie, zoals koper-indium-gallium-diselenide (CIGS), vindt zelfs al haar toepassing in iconische gebouwen met geïntegreerde zonnecellen in de muren of ramen (building-integrated PV, BIPV). Zoals de voorbeelden aan het eind van dit artikel aantonen, is imec een van de toonaangevende organisaties die dunnefilm-PV op het huidige punt hebben gebracht vanwaar het verder de markt kan veroveren. En vinden we in de toekomst misschien wel Vlaamse en Nederlandse technologie in elke zonnecel op het dak van je huis of auto.
Dunnefilm-PV wordt al gebruikt voor integratie van zonnecellen in façades van iconische gebouwen. Links: City of Music, Parijs, Shigeru Ban architecten, BIPV door ISSOL | Midden: Frans Ministerie van Defensie, Parijs, ANMA architecten, BIPV door ISSOL (©Agence Nicolas Michelin & Associes) | Rechts: Finance Tower, Luik, Jaspers Eyers architecten, BIPV door ISSOL ©P.Andrianopoli (Foto’s met dank aan ISSOL).
Qua marktaandeel moet de echte doorbraak van dunnefilm-PV namelijk nog komen, maar hij is nu dichterbij dan ooit, mede dankzij de evolutie naar bijna-energieneutrale (BEN) woningen en energie communities. Het voorbije decennium bracht een aantal doorbraken in het onderzoek waardoor dunnefilm-PV op grotere schaal kan toegepast worden, en dan met name in geïntegreerde toepassingen zoals in gebouwen, wagens of in de landbouw (bv. serres). Ietwat tegenstrijdig zouden de klassieke silicium zonnecellen die nu het grootste marktaandeel hebben weleens de perfecte springplank kunnen zijn voor dunnefilm-PV om het gat met deze silicium koppositie te verkleinen.
Het beste van twee werelden: dunnefilm gestapeld op silicium zonnecellen
De markt voor zonnecellen is in twintig jaar tijd met een duizendvoud gegroeid en bedroeg 150 miljard dollar in 2019 (of een jaarlijks geïnstalleerd vermogen van meer dan 100 Gigawattpiek). En conservatieve voorspellingen gaan zelfs uit van een verdere vertienvoudiging in de komende twee decennia, met name dankzij de kostenefficiëntie en het gedistribueerd karakter van zonne-energie.
Om deze ambitie waar te maken, blijft het een belangrijke uitdaging om de efficiëntie van PV-systemen verder te verhogen. Een inzicht wat weleens vaker vanuit verschillende hoeken wordt tegengesproken. De prijs van de zonnecellen en -panelen zelf is namelijk relatief laag geworden in vergelijking tot de totale kost van een PV-installatie. Waardoor soms de conclusie ontstaat dat op dat niveau nog weinig winst te halen is. Maar niets is minder waar. De beste manier om ook de hoeveelheid en kost van alle aanverwante onderdelen en apparaten te verlagen – zoals kabels, schakelaars, omvormers… – is om de energieopbrengst per vierkante meter zo hoog mogelijk te krijgen.
Zonnecellen die bestaan uit meerdere lichtgevoelige lagen met verschillende materialen – in dit geval een zogenaamde tandem cel van perovskiet op Silicium – kunnen het zonnespectrum optimaal benutten en daarmee per oppervlakte-eenheid meer lichtenergie omzetten in elektriciteit.
De meest gangbare systemen op onze daken hebben een efficiëntie van om en bij de 20%, wat wil zeggen dat een vijfde van de invallende lichtenergie wordt omgezet in elektriciteit. In het lab halen silicium zonnecellen efficiënties tot 27%. Er is echter een fysische limiet aan de energie-efficiëntie van silicium zonnecellen, waardoor het haast onmogelijk is om de magische barrière van 30% te doorbreken, en al zeker niet in commerciële toepassingen. Daarom richt het onderzoek zich in toenemende mate op het gestapeld combineren van verschillende lichtgevoelige materialen in een PV-systeem, via zogenaamde multi-junction of tandem zonnecellen. Hierbij worden de materialen zodanig gekozen dat ze gevoelig zijn voor complementaire delen van het zonnespectrum. Zonlicht wat door het ene materiaal passeert, wordt in een andere laag wel omgezet in elektriciteit en op die manier verhoogt de totale efficiëntie.
In dunnefilmtechnologie is er een voldoende keuze in de materialen waardoor de gevoeligheden van elke laag goed op elkaar afgestemd kunnen worden. Bovendien voegt dunnefilmtechnologie weinig gewicht toe, is het flexibel en vraagt relatief weinig extra productiekost. Dankzij deze inherente eigenschappen is het uitermate geschikt om deze ‘stapelingen’ te verwezenlijken boven op de silicium laag in klassieke zonnecellen. En kan dunnefilmtechnologie meeliften op de bestaande markt om verder te dalen in productiekost. Een opschalingseffect wat daarenboven ten goede komt in het uitbouwen van de nichemarkten voor ‘zuivere’ dunnefilm-PV, zoals integratie in gebouwen (BIPV), voertuigen (VIPV) enzovoort.
Kansen voor Europa
Het merendeel van de productie van zonnecellen en -panelen bevindt zich in landen als China en Maleisië. Maar, hoewel ze het hart vormen van elke PV-installatie, komt er veel meer technologie bij kijken en vertegenwoordigt dit maar 30% van de waarde in een uiteindelijk systeem. Het is dan ook niet onbelangrijk dat Europa een belangrijk aandeel heeft in de markt voor materialen en componenten – zoals glas, beschermingslagen, kabels, omvormers – maar ook in domeinen als ontwerp, installatie, recycling en al zeker een koppositie inneemt in innovatie.
En dat is ook zo voor dunnefilmtechnologie, waar nauwe samenwerking doorheen de hele waardeketen belangrijk is vanwege de ambities op het vlak van integratie en personalisatie. Dunnefilm-oplossingen worden namelijk minder aanzien als ‘one size fits all’, maar als op maat gemaakte oplossingen voor een specifieke klant of toepassing, vaak geïntegreerd in een ander onderdeel zoals een raam van een gebouw, een dak van een auto etc. Daarom wordt het des te belangrijker om een goede afstemming te hebben doorheen de hele productieketen en deze te organiseren zo dicht mogelijk bij de plek waar de uiteindelijke implementatie moet gebeuren. En het is exact in het organiseren van dergelijke ecosystemen dat Europa haar bewezen krachten kan ontplooien.
Integratie van PV-technologie in de façade van een gebouw (building-integrated photovoltaics, BIPV), als resultaat van het Europees project PVme.
De bijdragen van imec aan dunnefilm-PV
Een van de voorbeelden van onze kracht op het vlak van onderzoeksamenwerking is Solliance, een onderzoeksalliantie met thuisbasis in Eindhoven die sinds de oprichting in 2010 (door TNO, ECN, TU Eindhoven en UHasselt) wereldwijd toonaangevend is in het onderzoek naar dunnefilm-PV. Imec trad kort na de oprichting toe als een van de pioniers.
Een ander mooi voorbeeld is EnergyVille, een samenwerking tussen de Belgische onderzoekspartners KU Leuven, VITO, imec en UHasselt op het vlak van duurzame energie en intelligente energiesystemen. In 2018 werd bij EnergyVille een geheel nieuw labo geopend voor het opschalen van PV-technologie, het maken van modules en het uitvoeren van stabiliteitstesten onder gecontroleerde omstandigheden en in effectieve toepassingen. En ook de bijdragen op het vlak van materiaalonderzoek aan IMOMEC, een imec-onderzoeksgroep aan de UHasselt, mogen niet vergeten worden.
Gezamenlijk vormden deze organisaties en samenwerkingsverbanden een solide basis in een domein dat stevig door elkaar werd geschud door de opkomst van een nieuw type materiaal: perovskiet.
Tot zowat tien jaar geleden richtte een van de belangrijkste onderzoekspeilers zich op de ontwikkeling van zogenaamde organische zonnecellen (OPV): dunnefilmtechnologie die gebruik maakt van organische moleculen en polymeren als halfgeleiders. Sindsdien hebben perovskieten – een specifiek type materiaal wat een combinatie is van organische en anorganische elementen – zowat de hele dunnefilmwereld overgenomen. Het is nu het meest dominante materiaal waarop wordt ingezet om het basisrendement te garanderen van dunnefilm-zonnecellen, weliswaar nog steeds aangevuld door andere dunnefilmlagen zoals CIGS om de genoemde tandemcellen te realiseren.
Dankzij de beschikbare en gecombineerde kennis in de genoemde samenwerkingen is de overgang van OPV naar perovskiet echter bijzonder lucratief gebleken op het vlak van onderzoeksresultaten op een voor de industrie relevant niveau. Waar andere regio’s en organisaties de fundamenten legden voor de materiaalontwikkeling zelf en de haalbaarheid bewezen op labschaal, liepen we in de lage landen al snel voorop in het aantonen van de meerwaarde van perovskieten in semi-industriële processen en producten.
Het bleek namelijk al vrij snel dat perovskiet met minimale ingrepen kon ingepast worden in de processen die al waren ontwikkeld voor OPV en andere geavanceerde dunnefilmtechnologie. Bijvoorbeeld technieken zoals het opdampen of spuiten (spraycoaten) van dunne homogene lagen op grote oppervlakken bleken mogelijk mits enkele haalbare ingrepen in het ontwerp van de functionele lagen, de machines en de productieparameters.
Met als gevolg dat imec/EnergyVille samen met de Nederlandse partners in het Solliance consortium wereldwijd toonaangevende resultaten lieten optekenen, zoals de allereerste officieel gecertifieerde perovskiet module op groot oppervlak en verscheidene wereldrecords in de efficiëntie van dunnefilm-cellen en -modules. Naast deze verwezenlijkingen op het vlak van materialen en cellen, hebben imec en zijn partners ook een belangrijke bijdrage aan de ontwikkeling van aanverwante technologie. Zo ligt de focus bij EnergyVille op onderwerpen die de hele waardeketen overschouwen van materiaal tot uiteindelijke implementatie. Bijvoorbeeld specifieke interconnectietechnologie om (dunnefilm) zonnecellen met elkaar te verbinden en toch compatibel te zijn met de visie van integratie en personalisatie waarbij cellen en modules moeten verbonden worden met wisselende eigenschappen qua vorm, afmeting, transparantie etc. En ook naar onderdelen zoals omvormers en andere componenten wordt gekeken zodat deze mee kunnen evolueren met de specifieke vereisten van deze markt en toepassingen.
"Imec/EnergyVille en TNO, partners in Solliance, wereldwijd koploper in volgende generatie (dunnefilm) zonnecellen." (foto ©nielsvanloon.com/photography).
Doorheen al deze activiteiten – van materialen, machines en processen over cellen en modules helemaal tot aan uiteindelijke implementatie – kunnen de actieve betrokkenheid van het bedrijfsleven en de ondersteuning door publieke financiering (bv EU-programma’s) niet overschat worden. Van bij de start is de expertise en betrokkenheid van materiaalleveranciers cruciaal geweest om succesvol te kunnen inspelen op de snel veranderende context bij de opkomst van perovskieten. Verderop in de ontwikkeling is de samenwerking met producenten van glas en bouwmaterialen, maar ook bijvoorbeeld de automobielindustrie dan weer essentieel om de juiste antwoorden te bieden aan de uitdagingen die zich in specifieke toepassingen stellen. En de combinatie van publieke en private financiering laat toe om in dit risicovolle domein in de volle breedte voorop te blijven lopen in innovatie. Terugkijkend op de resultaten van het voorbije decennium - en met de dagelijkse ervaring dat het ecosysteem zich verder ontwikkelt tot een geoliede machine – zijn alle ingrediënten aanwezig om als regio voorop te blijven lopen. Bij deze een warme uitnodiging aan iedereen die reeds betrokken is, of dichter betrokken wil worden, om de inspanningen door te zetten en de banden nog nauwer aan te halen.
Meer weten?
Een overzicht van de meest noemenswaardige doorbraken in dunnefilm PV waarin imec betrokken was (doelpagina’s in het Engels):
- 2011: imec, Solvay, Polyera reach OPV efficiency of 8.3% - Renewable Energy World
- 2014: 8.4% efficient fullerene-free organic solar cells exploiting long-range exciton energy transfer | Nature Communications
- 2016: Imec and its Solliance Partners Present First Semi-Transparent Perovskite Modules | imec (imec-int.com)
- 2017: Imec and Solliance’s perovskite PV modules achieve 12.4% | imec (imec-int.com)
- 2017: Press Release - Imec Reports Record Conversion Efficiency of 23.9 Percent on a 4cm2 Perovskite/Silicon Solar Module | imec (imec-int.com)
- 2017: imec magazine May 2017 - A city full of energy | imec (imec-int.com)
- 2018: Partner Related Press Release - The key to a sustainable building façade | imec (imec-int.com)
- 2018: Perovskite/CIGS tandem cell with Record Efficiency of 24.6 percent Paves the Way for Flexible Solar Cells and High-Efficiency Building-Integrated PV | imec (imec-int.com)
- 2020: Partner related - Scaled perovskite solar modules pass three critical stability tests. | imec (imec-int.com)
Meer details over de betrokken partijen:
