211service.com
Deze flexibele zonnecellen brengen ons dichter bij het afkicken van de gewoonte om fossiele brandstoffen te gebruiken
Foto illustratie van een perovskiet Foto met dank aan Oxford PV
- Perovskiet-zonnecellen kunnen goedkoper, lichter, energiezuiniger en gemakkelijker te produceren zijn dan traditioneel silicium
- Ze kunnen op ramen, onregelmatig gevormde oppervlakken of zelfs bewegende voertuigen worden geplaatst en openen een geheel nieuw scala aan toepassingen voor zonne-energie, zoals ontzilting
- De grootste uitdaging: ze duurzaam genoeg maken
Afgelopen december schenen onderzoekers in een laboratorium in Oxford, Engeland, een zonnelamp op een kleine zonnecel van slechts ongeveer een centimeter in het vierkant.
Het apparaat bestond eigenlijk uit twee cellen, op elkaar gestapeld. De onderste is gemaakt van het type silicium dat in standaard zonnepanelen wordt gebruikt. Maar de bovenkant was perovskiet, een materiaal met een kristalstructuur dat bijzonder bedreven is in het omzetten van licht in elektriciteit.
Een paar sondes bevestigd aan de zogenaamde tandem-zonnecel maten de prestaties. Andere onderzoekers in het laboratorium van Oxford PV, een bedrijf dat in 2010 uit de universiteit voortkwam, verzamelden zich achter een flatscreen-monitor en wachtten vol verwachting op een berekening van de efficiëntie van de cel. Toen dat gebeurde, wisselden ze high fives uit. De cel had 28% van de energie in het licht omgezet in elektriciteit, een nieuw efficiëntierecord voor een perovskiet-op-siliciumapparaat. Een onafhankelijke test bevestigde het een paar dagen later, nadat de kleine cel op een vliegtuig was gezet naar het National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado.
De commerciële zonnecel van Oxford PV (links) en de versie van één centimeter in het vierkant (rechts).
Hoewel siliciumpanelen de markt kunnen domineren - met een marktaandeel van ongeveer 95% - is silicium geen bijzonder goed materiaal voor zonne-energie. Het gebruikt voornamelijk licht van het rode en infrarode uiteinde van het zonnespectrum, en het moet vrij dik en omvangrijk zijn om fotonen te absorberen en om te zetten. De meest efficiënte siliciumzonnepanelen op de markt halen een rendement van minder dan 23%, terwijl het theoretische maximum voor een enkele laag silicium rond de 29% ligt.
Perovskiet daarentegen kan meer van het licht gebruiken dat het bereikt en kan worden afgestemd om met verschillende delen van het spectrum te werken. Oxford PV heeft gekozen voor het blauwe uiteinde. Gekoppeld in een cel kunnen de twee materialen samen meer fotonen in elektronen omzetten dan elk afzonderlijk kan leveren.
Oxford PV is van plan om eind volgend jaar zonnecellen op basis van perovskiet en silicium op de markt te brengen, met behulp van een Duitse fabriek die het in 2016 van Bosch Solar heeft overgenomen. De twee materialen komen in een pakket dat er anders uitziet, op dezelfde manier wordt verzonden en geïnstalleerd als een standaard zonnepaneel, in een soort halve stap waarvan het bedrijf denkt dat het de technologie gemakkelijker op de markt zal brengen.
De fabriek van Oxford PV in Duitsland. Oxford PV
Het is technologieverstoring zonder de bedrijfsverstoring, zegt Chris Case, Chief Technology Officer van Oxford PV.
Tientallen startups die ongeveer tien jaar geleden probeerden silicium te vervangen, gingen in plaats daarvan failliet of werden verbannen naar een nichemarkt. Maar durfkapitalisten hebben geïnvesteerd tientallen miljoenen van dollars in perovskiet-ondernemingen in de afgelopen maanden, waardoor een lange tijd een ijzige markt voor alternatieve zonnematerialen werd opgewarmd. De vraag is nu of perovskieten ook zullen bruisen, of uiteindelijk de siliciumpanelen op de markt zullen verslaan.
Er is een hele reeks dingen die het tot een potentieel transformationele technologie maken, zegt Joe Berry, die het perovskiet-onderzoeksprogramma leidt bij het National Renewable Energy Laboratory. Maar de lijst met technologieën die hebben geprobeerd te concurreren met silicium is lang en onderscheidend, dus ook in die zin moet je bescheiden zijn.
Een zonnecel op steroïden
Aan het eind van de jaren 2000 probeerden een aantal goed gefinancierde startups nieuwe en flexibelere materialen voor zonne-energie op de markt te brengen, waaronder dunnefilmtechnologieën zoals cadmiumtelluride en koper indium gallium selenide (herinner je je Solyndra?), evenals dingen als organische zonnecellen. De belofte was dat cellen gemaakt van dergelijke materialen veel goedkoper te vervaardigen zouden zijn en in verschillende vormen geproduceerd zouden kunnen worden.
Maar siliciumzonnepanelen waren een snel bewegend doelwit. De efficiëntie bleef verbeteren en de prijzen kelderden, Met dank tot door de overheid gefinancierde onderzoeksinspanningen, marktstimuleringsbeleid en schaalvoordelen.
Commerciële kosten voor fotovoltaïsche systemen (Amerikaanse dollars per watt gelijkstroom voor vaste kantelsystemen)
Bron: Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie | Grafiek gemaakt door MIT Technology Review
Vooral China gebruikte agressieve subsidies en strategieën om de productie en export te versnellen in een zoektocht om de markt te domineren. De verzending van modules en het wereldwijde marktaandeel namen een vlucht vanaf het midden van de jaren 2000, wat leidde tot beschuldigingen van illegale dumping om buitenlandse rivalen uit te schakelen. De prijzen voor commerciële siliciumpanelen zijn tussen 2010 en 2013 met meer dan de helft gedaald en de markt voor alternatieven zakte.
Dus om de enorme kosten van het bouwen van nieuwe fabrieken, toeleveringsketens en distributiekanalen te rechtvaardigen, moet tegenwoordig elk nieuw materiaal op cruciale manieren beter zijn: efficiënter, goedkoper te produceren, veelzijdiger, duurzamer of idealiter alle boven.
Perovskiet schittert in sommige van die categorieën. Een enkele laag kan theoretisch 33% efficiëntie bereiken, terwijl een tandem perovskiet-op-siliciumapparaat ongeveer 43% zou kunnen bereiken. Hoog rendement is belangrijk omdat u meer elektriciteit kunt produceren uit hetzelfde aantal panelen, of dezelfde hoeveelheid met een kleinere footprint en lagere kosten.
Perovskiet-zonnemodules zouden ook goedkoper moeten zijn om te maken, althans uiteindelijk. Het produceren van siliconenpanelen is een meerstaps fabricageproces: dat houdt in dat het silicium onder hoge hitte wordt verfijnd, met andere materialen wordt gemengd en het nauwkeurig in wafels wordt gesneden die vervolgens in een schone ruimte nauwkeurig van een patroon moeten worden voorzien om een fotovoltaïsche cel te creëren.
Perovskieten daarentegen kunnen bij lage temperaturen worden geproduceerd en in vloeibare vorm worden gebruikt om flexibele materialen zoals plastic te coaten, waardoor een roll-to-roll fabricageproces mogelijk wordt dat vergelijkbaar is met het printen van kranten.
Door de dunnefilmfabriek van Bosch een nieuwe bestemming te geven, verwacht Oxford PV tegen het einde van volgend jaar silicium- en perovskietcellen in massa te kunnen produceren en deze samen te verpakken in standaard uitziende panelen.
Het is een gewone zonnecel op steroïden, zegt Case.
In maart zei Oxford PV dat het... opgevoed meer dan $ 40 miljoen om zijn producten op de markt te krijgen, waardoor de totale financiering en financiering op ongeveer $ 100 miljoen komt. De fabriek pompt elk jaar 250 megawatt aan cellen weg.
Een andere perovskiet-startup, Energy Materials, wil ook roll-to-roll-productie gebruiken. Het is gevestigd in Rochester, New York, en gebruikt filmapparatuur die oorspronkelijk is gebouwd voor Eastman Kodak om zonnepanelen met alleen perovskiet in massa te produceren. Op volledige schaal kost het proces de helft minder dan het vervaardigen van een traditionele zonnemodule, terwijl de kapitaalkosten een orde van grootte lager zullen uitvallen, omdat silicium dure, nauwkeurige machines en installaties vereist, zegt Thomas Tombs, Chief Technology Officer van het bedrijf.
De flexibele perovskiet-zonnecel van Swift Solar. Swift Solar
Omdat perovskiet flexibel, semi-transparant en lichtgewicht kan zijn, kan het ook worden gebruikt waar zware, stijve zonnepanelen niet zouden werken - op ramen, krakende daken, onregelmatig gevormde oppervlakken of zelfs bewegende voertuigen.
Swift Solar, een aan NREL gelieerde startup die opgevoed bijna $ 7 miljoen in de afgelopen maanden, is kijken naar door perovskiet-perovskiet tandem-zonnecellen - die twee perovskietlagen gebruiken, elk afgestemd op een ander deel van het spectrum - op drones en elektrische voertuigen te plaatsen om hun bereik te vergroten, volgens de CEO, Joel Jean. Zo'n cel zou zeer efficiënt kunnen zijn, maar ook flexibeler en lichter dan een cel met een dikke siliciumlaag.
Nieuwe toepassingen voor zonne-energie ontsluiten
In zijn boek De zon temmen, Varun Sivaram, chief technology officer bij ReNew Power, stelt dat nieuwe zonnetechnologieën zoals perovskieten essentieel kunnen zijn voor het uiteindelijk verdringen van fossiele brandstoffen.
Maar waarom hebben we nog goedkopere zonnestroom nodig als siliciumpanelen al concurrerend zijn met bijvoorbeeld een kolencentrale?
Een van de grootste problemen met zonne-energie is dat zodra het een aanzienlijk deel van de elektriciteit op het net genereert, de toegevoegde waarde van het volgende paneel of de volgende installatie sterk begint af te nemen.
Dat komt omdat zonneparken 's nachts helemaal geen elektriciteit opwekken, wat betekent dat de rest van het systeem nog steeds in staat moet zijn om aan de totale vraag te voldoen. Op zonnige dagen daarentegen kan er meer elektriciteit zijn dan het systeem kan gebruiken of opslaan. Dat gebeurt al in regio's met veel zonne-energie, zoals Duitsland, China en Californië.
Netbeheerders moeten zonneparken regelmatig dwingen of stimuleren om hun productie terug te dringen, vaak door de prijzen tot nul of zelfs daaronder te drukken. Dat kan de winst van de zonnecentrales drukken, waardoor de economische prikkels om er meer te bouwen en het gebruik van fossiele brandstoffen te blijven verminderen, wegvallen.
In een papier gepubliceerd in Nature Energy in 2016, berekenden Sivaram en Shayle Kann, nu algemeen directeur van private equity-onderneming Energy Impact Partners, dat om de economische prikkels om meer fabrieken te blijven bouwen te behouden, de kosten voor het ontwikkelen van zonne-energie zouden moeten dalen tot 25 cent per watt . De all-in kosten van de goedkoopste commerciële systemen zijn $ 1,06 per watt, volgens de laatste NREL-rapport .
Veel daarvan is te wijten aan de hoge prijs van het installeren en bedraden van de omvangrijke hardware. Dus om de prijs drastisch te verlagen, zijn niet alleen spotgoedkope zonnecellen nodig, maar ook lichtgewicht, flexibele zonnecellen die gemakkelijker te implementeren zijn. Perovskieten zijn het meest veelbelovende materiaal om vandaag zoiets als die sprong te maken, zegt Sivaram.
Goedkope zonne-elektriciteit kan ook de kosten verlagen van zaken als ontzilting van zeewater, kunstmatige bomen die koolstofdioxide uit de atmosfeer kunnen halen, of elektrolyse-installaties die overtollige energie kunnen omzetten in waterstofbrandstof.
Het ontgrendelt al die andere nieuwe toepassingen waar we nooit eerder aan hadden gedacht, zegt Sivaram.
Het instabiliteitsprobleem
De moeilijkere vraag rond perovskieten is hun duurzaamheid. Efficiëntiesprongen doen er niet veel toe of het materiaal maar een paar maanden of zelfs jaren meegaat - en tot nu toe hebben perovskieten de neiging om snel af te breken wanneer ze worden blootgesteld aan ultraviolet licht en vocht.
Dat is een heel groot probleem voor een materiaal dat enkele decennia onder de zon moet liggen. En als bedrijven perovskietpanelen uitrollen die te snel falen, zal dit de reputatie van het materiaal aantasten, zelfs als ze later duurzamere versies ontwikkelen.
Een PV-medewerker uit Oxford onderzoekt perovskiet-silicium tandem-zonnecellen van commerciële grootte. Oxford PV
Voorlopig hangt het marktplan van Oxford PV af van de vraag of de perovskiet-siliciumcel kan worden gemaakt om te werken en eruit te zien als een standaard siliciumzonnepaneel, inclusief verpakking in een glazen behuizing waardoor hij langer meegaat.
Maar het bedrijf moest wel hard werken aan de stabiliteit van het materiaal zelf, met behulp van computationele modellering en snelle screening om veelbelovende composities te lokaliseren tussen zo'n half miljoen mogelijkheden. Het recept van het bedrijf voor perovskieten is gepatenteerd, maar de CEO, Frank Averdung, is optimistisch. We hebben het betrouwbaarheidsprobleem opgelost, zegt hij. We hebben het voor elkaar gekregen, en dit is de reden dat we nu naar de productiemodus kunnen gaan.