Tandemtechnologie voor zonnecellen: een boost aan efficiëntie voor fotovolatïsche systemen

Omdat ze semitransparant gemaakt kunnen worden, kunnen perovskietzonnecellen ook bovenop de traditionele silicium zonnecellen geplaatst worden. Deze tandemcellen hebben een enorm potentieel om de efficiëntie van zonnepanelen te verhogen en zouden zelfs de meest kosteneffectieve aanpak kunnen blijken om de efficiëntie van fotovoltaïsche energie verder te verbeteren.

Onze mobiliteit verandert snel. Elektrische fietsen en steps zijn al volop in het straatbeeld aanwezig en hybride en elektrische auto's winnen snel aan marktaandeel. Hierdoor ontstaat vanuit de auto-industrie een sterke interesse om zonnecellen in het dak of andere auto-onderdelen te integreren. Dit zorgt er niet alleen voor dat auto-elektronica of airconditioning minder van het primaire batterijvermogen nodig heeft, maar een zeer efficiënt zonnedak kan ook een aanzienlijk groter bereik mogelijk maken. Met het beperkte oppervlak dat op de auto beschikbaar is, moet de efficiëntie van de energieomzetting van het geïntegreerde zonnepaneel maximaal worden geoptimaliseerd.

Dit ondersteunt de groeiende interesse in tandemcellen: dit zijn zonnecellen gemaakt door twee of meer cellen op elkaar te stapelen en zo een ​​rendement te bereiken dat hoger is dan de individuele technologieën samen. Omdat zonnecellen met fotoabsorbers met een bredere bandgap hogere spanningen genereren, worden de warmteverliezen in tandemzonnecellen aanzienlijk verminderd in vergelijking met traditionele zonnecellen die hetzelfde aantal fotonen absorberen. Het rendement van tandemcels ligt bijgevolg een stuk hoger.

Een voor de hand liggende vereiste is dat het materiaal van de bovenste cel transparant is voor het licht dat het niet omzet in elektrische energie. Een extra boost wordt gegeven als de materialen in de tandem elk gevoelig zijn voor een ander deel van het lichtspectrum, zodat ze niet op elkaars conversiepotentieel zoeken. Het materiaal dat de kortste golflengten vangt (bijv. blauw en groen) zal dan bovenop liggen, terwijl het onderste materiaal de langere golflengten (bijv. rood en nabij-infrarood) omzet, zoals afgebeeld in figuur 1.

Fig. 1: Schema's van een tandem-zonnecel bestaande uit twee zonnecellen met aflopende bandgap-energieën. Incidentfotonen met energieën boven de bandgap van de bovenste zonnecel worden met een hogere spanning geoogst door de bovenste zonnecel met een hogere bandgap. De fotonen met lagere energie (langere golflengte) die worden doorgegeven door de bovenste zonnecel, worden geoogst door de onderste zonnecel.

Tandem-zonnecellen worden vandaag al veel gebruikt voor ruimtetoepassingen. Dergelijke tandemzonnecellen hebben een hoge complexiteit en zijn te duur om op grote schaal te vervaardigen. Voor commerciële toepassingen zijn de productiekosten van grote invloed op de mate van implementatie.

Momenteel wordt de PV-markt gedomineerd door zonnecellen van kristallijn silicium (c-Si). Het toevoegen van een goedkope absorber bovenop de c-Si, wat resulteert in een zeer efficiënte tandemzonnecel, is een veelbelovende piste om de levelised cost of electricity (LCOE) nog verder te verlagen. Tot een paar jaar geleden was er een gebrek aan efficiënte, goedkope zonnecellen die konden worden gebruikt in een tandemconfiguratie met bestaande PV-technologieën. De komst van perovskiet-zonnecellen en hun snelle groei hebben deze impasse echter sterk veranderd.

Perovskiet, een mineraal dat calciumtitanaat (CaTiO3) bevat, werd in 1839 ontdekt en vernoemd naar de Russische mineralogist Lev Perovski. Tegenwoordig wordt de term perovskiet gebruikt om alle verbindingen aan te duiden met een kristalstructuur vergelijkbaar met CaTiO3. De generieke chemische formule van perovskieten is ABX3, waarbij A en B positief geladen ionen van verschillende grootte zijn en X een negatief geladen ion is. Afhankelijk van de keuzes van A-, B- en X-ionen, kunnen perovskieten isolatoren, halfgeleiders, geleiders of supergeleiders zijn. Perovskieten die in zonnecellen worden gebruikt, zijn kristallijne halfgeleiders die hybride metaalhalogenide perovskieten worden genoemd. In dergelijke perovskieten wordt de A-plaats gewoonlijk ingenomen door monovalent methylammonium CH3NH3 + (MA) of formamidinium CH (NH2) 2+ (FA) of cesium (Cs +), of een combinatie hiervan. De B-site wordt ingenomen door bivalent lood (Pb2 +) of tin (Sn2 +), of een mengsel van beide. De X-plaats is gereserveerd voor haliden, zoals jodide (I–), bromide (Br–) of chloride (Cl–), of een mengsel hiervan.

Perovskieten zijn een veelbelovend materiaal om hoogwaardige tandemcellen te maken. Ze kunnen worden verwerkt tot dunne, flexibele, (semi) transparante modules die een hoog omzettingsrendement kunnen bereiken. Ze zijn goedkoop te produceren dankzij de goedkope materialen en de afzetting die bij kamertemperatuur kan worden gedaan. Dit weerspiegelt zich ook in een terugverdientijd van energie die tot tien keer korter zou kunnen zijn dan de huidige industriële Si PV-modules. De perovskieten voor zonnecellen hebben een hoge optische absorptie met een scherp begin voor het zichtbare licht. Vandaar een perfecte match voor tandemcellen.

Naast de lage kostprijs en de hoge flexibiliteit, zijn perovskieten ook erg interessant omwille van de bandgap-afstembaarheid. De bandgap van de meeste perovskieten kan eenvoudig worden aangepast door hun chemische samenstelling te wijzigen, meestal het anion; de vervanging van ionen verandert de grootte van het perovskiet kristalrooster, waardoor de band gap verandert. Deze interessante eigenschap maakt de fabricage van perovskieten mogelijk met bandopeningen van 1,1 tot 3,2 eV, zoals aangetoond in figuur 2. De meest gebruikte perovskieten voor zonnecellen met een hoog rendement hebben een bandafstand van ~ 1,6 eV. Voor tandemtoepassingen met c-Si en koper-indium-galliumselenide (CIGS) zijn perovskiet-bandopeningen tussen 1,7 en 1,8 eV van bijzonder belang.

Fig. 2: Variatie van de samenstelling, hier de verhouding jodide / bromidehalogenide, resulteert in het veranderen van de breedte van de band gap en dus de absorptierand en kleur van de perovskietfilm

Terwijl voor perovskietcellen met enkele junctie energieconversie-efficiëntie (PCE) van meer dan 25% is gerapporteerd, werd onlangs een tandemresultaat getoond met een perovskietcel bovenop een siliciumbodemcel met een efficiëntie van 29,15%. Dit bevestigt het grote potentieel voor dergelijke tandemtechnologie om de efficiëntiebeperkingen van PV-cellen met enkele junctie aanzienlijk te overtreffen. Dit resultaat werd echter verkregen met laboratoriumprocessen op een oppervlakte van 1 cm2 en op een siliciumcel met gepolijst vooroppervlak geplaatst. Dit omvat omslachtige en tijdrovende aanvullende stappen die niet compatibel zijn met industriële productie met hoge doorvoer.

Bij EnergyVille / imec werd in 2018 een volledig schaalbare tandem-zonnepaneel met een methylammonium-lood-trijodide-perovskiet-top-zonnepaneel aangekondigd, gestapeld op een onderling gedigitaliseerde achter-gecontacteerde c-Si-zonnecel aan de onderkant. Beide apparaten hebben een identiek diafragma van 4 cm² (afb. 3 over). Met een combinatie van geoptimaliseerde transparante elektroden en een efficiënt moduleontwerp, vertoonde dit tandemzonnepaneel een energieomzettingsrendement van 25,3%. Later werd er nog een perovskiet-tandemmodule geproduceerd, deze keer gestapeld bovenop een CIGS-module (Fig. 3 rechts), om de efficiëntie van de enkele junctie met enkele procenten te verhogen. Dit werk is gedaan in samenwerking met een van de wereldleiders in CIGS-technologie, het Zentrum für Solare Energiewirtschaft (ZSW, Stuttgart, Duitsland).

Fig. 3: Tandems met een opening van 4 cm2 met opgeschaalde verwerking voor de voorste perovskietmodules; (links) Perovskite-Si tandem; (rechts) Perovskite-CIGS tandem

Deze topresultaten bewezen niet alleen de waarde van perovskiet als topcelmateriaal, ze wijzen er ook op dat - vanwege zijn kenmerken en flexibiliteit - perovskiettechnologie kan worden gebruikt om vrijwel elk type zonnecel te versterken.

De tandemmodules die EnergyVille / imec aanvankelijk ontwierp en testte, waren zogenaamde 4-termialmodules (afb. 4, links), waarbij de twee subcellen van de tandem elektrisch geïsoleerd waren en elk hun eigen bedrading hadden. Als resultaat heeft het eindproduct vier externe elektrische draden, waardoor een extra converter nodig is. In een module met 2 terminals (afb. 4, rechts) zijn de twee subcellen elektrisch in serie geschakeld en heeft de module slechts twee terminalkabels, een eenvoudigere configuratie die als volgende op de optimalisatieagenda staat.

Fig. 4: Schematische weergave van de twee belangrijkste tandemarchitecturen die tegenwoordig worden onderzocht; (links) configuratie met vier terminals (4T) met elektrisch geïsoleerde bovenlaag van perovskiet en Si-ondercel; (rechts) configuratie met twee terminals (2T) waarbij de boven- en ondercel elektrisch in serie zijn geschakeld.

Waarom zou u met deze extra complexiteit nog kiezen voor een opstelling met 4 terminals? Vooral omdat het het mogelijk maakt om het beste uit de twee subcellen te halen. Met een opstelling met 4 terminals loont het om de beste, geoptimaliseerde single-junction-cellen als subcel te gebruiken. Een configuratie met 2 terminals daarentegen vereist dat in de serieverbinding de stromen overeenkomen.

In het algemeen is het verschil in efficiëntie tussen 4-terminal en 2-terminal modules slechts klein wanneer gemeten in het laboratorium onder gestandaardiseerde omstandigheden. In de praktijk, met lichtomstandigheden die van minuut tot minuut veranderen, biedt de samenstelling met 4 terminals meer potentieel om een ​​hoger rendement te genereren. Het nadeel is natuurlijk de extra kosten voor de afzonderlijke bedrading, omvormers, aansluitdozen ...  Bedrijven zoals de start-up Oxford PV hebben alvast veel interesse getoond in de 2-terminal-oplossing, die kan worden geassembleerd tot panelen die eenvoudig de huidige kunnen vervangen panelen zonder extra kosten.

Ondanks de snelle vooruitgang op PCE voor dergelijke 2-terminal PV-technologieën, ontstaan ​​er al nieuwe uitdagingen. In tegenstelling tot cSi-cellen bevinden oplossingen voor metallisatie, interconnectie en lamineren van modules voor tandemzonnecellen zich nog in een zeer vroeg R & D-stadium. Aangezien de perovskietmaterialen niet dezelfde mechanische en thermische belasting kunnen verdragen als silicium, moeten nieuwe materialen en processen worden ontwikkeld om ervoor te zorgen dat volledige modules en panelen kunnen worden vervaardigd met tandemcellen, anders zal de marktintroductie van deze nieuwe PV-technologie niet gebeuren. Gebaseerd op de enorme kennis van EnergyVille en imec op het gebied van moduletechnologie, met geavanceerde metallisatieprocessen en innovatieve interconnectieroutes die de afgelopen jaren zijn ontwikkeld, hebben we een roadmap opgesteld zoals afgebeeld in figuur 5 om de tandemcellen en modules klaar te maken voor de volgende technologieniveaus. In eerste instantie is de roadmap gericht op voertuigintegratie. Terwijl de huidige cSi PV-daken in auto's als Toyota Prius een vermogensdichtheid hebben van minder dan 190 W / m2, heeft het gebruik van perovskiet-op-cSi-tandems potentieel om dit verder te brengen dan 230 W / m2. Met verbeterde betrouwbaarheid en opgeschaalde implementatie wordt ook de integratie van PV in gebouwen (denk maar aan façades, vensters, etc.) toegankelijk. Een verdere kostenverlaging zal ook potentieel brengen voor gebruik in zonneparken en op de schaal van nutsbedrijven.

Afb. 5: Onze technologische roadmap om tandemtechnologie de komende jaren productrijp te krijgen, voor verschillende toepassingsgebieden, variërend van voertuig over gebouw geïntegreerde PV (BIPV) tot inzet op utiliteitsschaal.

Ten slotte kan tandemtechnologie van groot belang zijn voor power-to-molecule-toepassingen zoals waterstofopwekking. Het onderzoeken van dit potentieel maakt deel uit van het onlangs gelanceerde PROCURA-project.

Conclusie

De recente opkomst van perovskieten als zonnecelmateriaal, heeft de weg geopend voor goedkope ontwikkeling van tandem PV. Hoewel nog steeds op een klein schaal, is het enorme potentieel van dergelijke tandemtechnologieën de afgelopen jaren aangetoond door perovskiet te combineren met gevestigde technologieën zoals cSi of CIGS, wat een efficiëntie oplevert die die van de traditionele zonnecellen overtreft. Bij EnergyVille zijn we nu de uitdaging aangegaan om de weg vrij te maken voor een effectieve industrialisatie van deze goedkope tandems. Schaalbare processen worden ontwikkeld en stapsgewijze integratie in geselecteerde applicaties zal naar verwachting de marktlancering de komende jaren versnellen.