Recept voor efficiëntere zonnecellen: een laagje perovskiet

In zonnecellen zet een halfgeleider licht om in elektriciteit. En voor elk halfgeleidermateriaal geldt een specifieke bovengrens bij die omzetting. Zonnecellen uit silicium zullen bijvoorbeeld nooit meer dan zo’n 30% halen en de panelen die nu op de markt zijn, zitten bijna aan die grens. Extra winst is vanaf nu slechts moeizaam en met kleine stapjes te bereiken.

Dat verklaart de groeiende belangstelling voor tandemcellen. Bij deze zonnecellen zitten twee of meer materialen in laagjes boven elkaar. Elk materiaal is gevoelig voor een specifiek deel van het totale lichtspectrum dat de zon naar de aarde straalt. De totale omzettingsefficiëntie van een tandemcel ligt bijgevolg hoger dan wat één technologie kan leveren. Natuurlijk moet de toplaag het deel van het licht dat ze zelf niet omzet, doorlaten naar de laag eronder. En het resultaat is optimaal als er geen overlapping is in de gevoeligheidsspectra van de materialen. Het materiaal dat reageert op licht met de kortste golflengtes (bijv. blauw en groen) zit dan bovenaan, terwijl het materiaal eronder dan langere golflengtes omzet (zoals rood en bijna-infrarood).

Oorspronkelijk werden tandemcellen - ook wel “multi-junction cells” genoemd - gebruikt in ruimtetuigen. Het waren combinaties van dure III-IV materialen zoals galliumarsenide (GaAs) of germanium (Ge) die een hogere efficiëntie haalden dan “single-junction cells”. Maar voor grootschalig gebruik op aarde waren ze te duur. 

Hoe kun je dan wel tandemcellen bouwen die betaalbaar zijn? Door bijvoorbeeld een nieuw, goedkoper materiaal bovenop de klassieke hedendaagse enkelvoudige zonnecellen te leggen, die ofwel van silicium zijn gemaakt, ofwel van een dunnefilmmateriaal zoals CIGS (koper-indium-galliumselenide). 

Een nieuw en boeiend materiaal

Zo’n goedkoper materiaal is perovskiet, een merkwaardige familie van microkristallen met intrigerende eigenschappen. Onderzoekers kenden perovskiet al lang voor toepassingen als piëzo-elektrisch materiaal, supergeleider of katalysator in chemische processen. Maar pas in 2009 besefte men dat perovskiet ook buikbaar is in zonnecellen. Een eerste zo’n cel was een “dye-sensitized” zonnecel met een bescheiden omzettingsefficiëntie van 3,8% en een korte levensduur. Sindsdien hebben labs wereldwijd de architectuur, betrouwbaarheid en efficiëntie van zonnecellen met perovskiet aanzienlijk verbeterd: ze halen nu een omzettingsefficiëntie van ruim 22%.

Perovskiet heeft heel wat aantrekkelijke eigenschappen als materiaal voor zonnecellen. Het is ten eerste goedkoop te maken en te verwerken, met eenvoudige productietechnieken zoals coaten en printen met inktachtige materialen. En door de hoge absorptie-efficiëntie voor zonlicht heb je niet veel materiaal nodig: een laagje van een paar honderd nanometer volstaat. Bovendien is perovskiet gemakkelijk te engineeren om zo het gewenste optische en elektronische gedrag te bekomen. Zelfs transparante cellen zijn mogelijk.

Kortom, dit is een ideaal materiaal als toplaag voor zonnecellen dun, transparant, voordelig en met flexibele, relatief gemakkelijk aan te passen eigenschappen.

Doping voor silicium en CIGS

De toplaag van perovskiet kan niet zonder … een onderlaag. De onderzoekers bij imec gaven hiervoor de voorkeur aan silicium en CIGS, momenteel de meest geproduceerde en geïnstalleerde zonneceltechnologieën. Die keuze lag voor de hand, want in samenwerking met fabrikanten van zonnepanelen werkt imec al tien jaar aan verbeteringen van deze technologieën, waabij het heel wat expertise heeft opgebouwd.

Een eerste veelbelovend resultaat, direct een record ook, betreft een spin-coated perovskietcel van 0,13 cm² bovenop een industriële siliciumcel van 4 cm² in een 4-terminalconfiguratie (waarover later meer). De siliciumcel in kwestie heeft een zogenaamde IBC-architectuur (interdigitated back-contact). Beide contacten zitten in dit geval aan de onderkant, zodat de perovskietcel bovenaan ongehinderd en maximaal invallend licht kan omzetten. Met een omzettingsefficiëntie van 27,1% scoort deze tandemconstructie nu al beter dan een stand-alone siliciumcel en er is nog ruimte voor verdere verbetering.

Een tweede resultaat, ook een record, werd behaald met een gelijkaardige perovskietcel van 0,13 cm², maar nu bovenop een CIGS-module van 0,5 cm². Die haalt een omzettingsefficiëntie van 24,6%. Imec werkte hiervoor samen met een wereldleider in de CIGS-technologie, het Zentrum für Solare Energiewirtschaft (ZSW, Stuttgart, Duitsland). Het resultaat lag meteen een verbluffende 5% hoger dan bij het demonstratiemodel van vorig jaar, waarmee nog maar eens het enorme potentieel van dergelijke tandemcombinaties is aangetoond. Tegenover het vorige resultaat, verbeterden de onderzoekers de doorlaatbaarheid van de perovskietcel voor infraroodlicht en het perovskiet zelf werd geoptimaliseerd om efficiënter te functioneren in een tandemconfiguratie.

Beide types imec-tandemcellen verschillen nog op een ander punt van elkaar: CIGS is een dunnefilmtechnologie, silicium niet. Hierdoor is ook de tandemconstructie perovskiet-CIGS een volwaardige dunnefilmoplossing die als een soepele folie kan worden vervaardigd, ideaal om als PV-systeem in de gevels van gebouwen te integreren.

De toplaag van perovskiet kan niet zonder … een onderlaag. De onderzoekers bij imec gaven hiervoor de voorkeur aan silicium en CIGS, momenteel de meest geproduceerde en geïnstalleerde zonneceltechnologieën. Die keuze lag voor de hand, want in samenwerking met fabrikanten van zonnepanelen werkt imec al tien jaar aan verbeteringen van deze technologieën, waabij het heel wat expertise heeft opgebouwd.

Nog enkele addertjes onder het gras

Deze twee records laten niet alleen zien dat perovskiet prima voldoet als toplaag, maar ook dat de perovskiettechnologie door zijn eigenschappen en flexibiliteit in aanmerking komt om vrijwel elk type single-junction zonnecellen een boost te geven.

Toch zadelt de perovskietlaag onderzoekers nog met enkele uitdagingen op, die een snelle commercialisering voorlopig in de weg staan. 

Om te beginnen laat de stabiliteit van de cellen nog te wensen over. Perovskietcellen degraderen te snel: ze gaan eerder enkele weken of maanden mee dan jaren of decennia. Dankzij innovatieve barrières en isolatielagen is de stabiliteit al flink verbeterd, maar nog onvoldoende.

Het formaat waarmee de efficiëntierecords werden behaald, vormt een tweede aandachtspunt. Het ging telkens om cellen met beperkte afmetingen, soms nauwelijks een vierkante centimeter. Dezelfde prestaties boeken met grote cellen, modules en uiteindelijk PV-systemen is nog een uitdaging.

Een derde punt is de samenstelling van perovskiet, dat lood bevat. Hoewel de concentratie ervan in de PV-systemen heel laag zou zijn, proberen de wetenschappers toch ook om met tin (Sn) een duurzamere PV-technologie te ontwikkelen die aan alle milieuvoorschriften voldoet. 

Op al deze domeinen boekt imec gestaag vooruitgang door formules en processtappen nauwgezet te verfijnen. Wij steunen hiervoor op de inbreng van verscheidene industriële partners. Terwijl bij een aantal andere initiatieven wetenschappelijke doorbraken voorrang krijgen, ligt de focus bij imec eerder op de ontwikkeling van processen die direct geschikt zijn voor industriële toepassing.

Twee configuraties, elk met voor- en nadelen

Aanvankelijk ontwierp en testte imec tandemmodules met een zogeheten 4-terminalconfiguratie. De twee subcellen van de tandem zijn daarbij elektrisch van elkaar geïsoleerd en hebben een eigen bedrading. Deze tandemmodule heeft dus vier elektrische aansluitingen, zodat er een extra convertor nodig is. Eenvoudiger is een module met slechts 2 terminals, waarin beide subcellen in serie met elkaar verbonden zijn. Imec heeft ook deze configuratie als een volgende ontwikkeling op de planning gezet.

Maar waarom werd dan in eerste instantie voor een complexere 4-terminalconfiguratie gekozen? Vooral omdat beide subcellen dan apart van elkaar optimaal functioneren, zodat het de moeite loont om als subcellen de allerbeste single-junction cellen te gebruiken. Bij een 2-terminalconfiguratie daarentegen moeten beide cellen best een gelijkaardige stroom produceren, omdat ze in serie zijn geschakeld. En dat gaat enigszins ten koste van hun individuele prestaties.

In het lab en bij standaardcondities zijn de efficiëntieverschillen tussen 4-terminal- en 2-terminalmodules niet zo groot. Maar in de dagelijkse praktijk klinkt het verhaal enigszins anders. Wanneer de lichtomstandigheden van minuut tot minuut kunnen variëren, biedt de 4 terminalarchitectuur meestal een hogere opbrengst. Maar ze kost ook meer, door de aparte bedrading, de convertors, de aansluitingen… Daarom tonen PV-fabrikanten meer belangstelling voor de 2-terminaloplossing, een oplossing waarbij ze de huidige zonnepanelen zonder meer door de betere nieuwe lichting zouden kunnen vervangen.

Een perovskietlaag bovenop beproefde siliciumcellen aanbrengen wordt waarschijnlijk de voordeligste manier om de efficiënte van zonnepaneelsysteem verder op te drijven. Daarom doen wij een oproep aan alle bedrijven uit de PV-waardeketen die naar een hogere efficiëntie streven om samen met ons dit veelbelovende traject in te gaan.