211service.com
Kan het meest opwindende nieuwe zonnemateriaal zijn hype waarmaken?
Perovskiet belooft goedkoper en efficiënter te zijn dan silicium - en verschillende bedrijven zeggen dat ze het op grote schaal gaan produceren.
29 juni 2021
Willow Technologies
Voor het testen van perovskiet-zonnecellen in het laboratorium waren vroeger een paar degelijke hardloopschoenen nodig. De materialen vielen zo snel uit elkaar dat wetenschappers van de plek waar ze de cellen maakten naar de plek gingen waar ze ze testten, in een poging hun prestaties te meten voordat de cellen in hun handen degradeerden - meestal binnen een paar minuten.
Perovskieten hebben onderzoekers lang betoverd met de belofte om goedkope, ultra-efficiënte zonnecellen te produceren. En nu maken verschillende bedrijven grote stappen om op grote schaal commerciële perovskiet-zonnecellen te produceren.
Maar de instabiliteit van de materialen dreigt hun pad naar daken en energiecentrales te doen ontsporen. Hoewel een paar bedrijven zeggen dat ze de uitdaging hebben opgelost, in ieder geval goed genoeg om binnen een jaar voorlopige producten op de markt te brengen, zijn sommige onderzoekers nog steeds sceptisch.
Mensen willen dat ik zeg: 'Ik weet zeker dat dit stabiel zal zijn, en efficiënt zal zijn en dat we de wereld gaan veroveren', zegt Joseph Berry , die het onderzoeksprogramma perovskiet leidt aan de Amerikaans nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie. En een deel van mij gelooft dat, maar een deel van mij als wetenschapper zegt: 'Ik heb de gegevens niet.'
Genieten van de zon
Perovskieten zijn synthetische materialen, goedkoop en relatief eenvoudig te produceren, zelfs in grote hoeveelheden. Veelvoorkomende perovskieten die in fotovoltaïsche energie worden gebruikt, zijn typisch zoiets als methylammoniumloodhalogenide, maar de perovskietfamilie omvat duizenden materialen die dezelfde kristalstructuur delen. Gecoat op een flexibele basis, kunnen ze dunne-film zonnecellen produceren die licht en buigzaam zijn.
Hoewel er in de afgelopen decennia verschillende nieuwe fotovoltaïsche materialen zijn verschenen, heeft geen enkele de markt, die wordt gedomineerd door silicium, sterk deuken. Het wordt aangetroffen in ongeveer 95% van de bestaande zonnecellen.
Sommige perovskietbedrijven, zoals Willow Technologies in Warschau, proberen silicium helemaal achter zich te laten. Het bedrijf, opgericht in 2014, ontwikkelde een inkjetprintproces voor de productie van perovskiet-zonnecellen in een flexibel plastic. Een paneel met de cellen van Saule is ongeveer een tiende zo zwaar als een siliciumpaneel van dezelfde grootte.
In mei opende Saule een fabriek die jaarlijks zo'n 40.000 vierkante meter panelen kan produceren. Dat is genoeg om ongeveer 10 megawatt aan stroom op te wekken (sommige fabrieken die siliciumcellen produceren zijn honderden keren groter).
Verwant verhaal
Deze flexibele zonnecellen brengen ons dichter bij het afkicken van de gewoonte om fossiele brandstoffen te gebruiken Geen enkel zonnemateriaal is erin geslaagd silicium te verdringen. Perovskieten, die veel goedkoper zijn en waarvan flexibele modules kunnen worden gemaakt, zouden daar verandering in kunnen brengen.Hoewel perovskieten het potentieel hebben om hoge efficiënties te bereiken (de wereldrecord voor een cel met alleen perovskiet iets meer dan 25% is), zijn de meeste van de best presterende perovskietcellen tegenwoordig klein - minder dan 2,5 cm breed.
Door opschalen wordt het moeilijker om de potentiële efficiëntiegrenzen te halen. Op dit moment halen de panelen van Saule, die een meter breed zijn, ongeveer 10% efficiëntie. Dit wordt overschaduwd door commerciële siliciumpanelen van vergelijkbare afmetingen, die doorgaans een efficiëntie van ongeveer 20% halen.
Olga Malinkiewicz , Saule's oprichter en chief technology officer, zegt dat het doel van het bedrijf was om een perovskiet-only zonnecel de deur uit te krijgen, en de lagere efficiëntie zal er niet toe doen als de technologie goedkoop genoeg is.
Saule probeert te gaan waar siliciumzonnepanelen niet komen: naar daken die het gewicht van zware glazen panelen niet aankunnen, of naar meer gespecialiseerde toepassingen, zoals zonwering op zonne-energie, die het bedrijf momenteel aan het testen is.
Terwijl Saule dunnefilmproducten lanceert voor meer nichetoepassingen, hopen andere bedrijven silicium te verslaan, of op zijn minst toe te treden tot hun eigen spel. in het VK gevestigd Oxford PV is het opnemen van perovskieten in combinatie perovskiet-siliciumcellen.
Omdat silicium licht absorbeert in de richting van het rode uiteinde van het zichtbare spectrum, en perovskieten kunnen worden afgestemd om verschillende golflengten te absorberen, zorgt het coaten van een laag perovskiet op siliciumcellen ervoor dat combinatiecellen hogere efficiënties bereiken dan alleen silicium.
De combinatiecellen van Oxford PV zijn zwaar en stijf, net als cellen met alleen silicium. Maar omdat ze dezelfde grootte en vorm hebben, kunnen de nieuwe cellen gemakkelijk in panelen voor dakarrays of zonneparken worden geschoven.
Oxford PV combineert perovskiet en silicium om zeer efficiënte zonnecellen te maken.
OXFORD PVChris Case , Chief Technology Officer van Oxford PV, zegt dat het bedrijf zich richt op het verlagen van de genivelleerde kosten van elektriciteit, een maatstaf die een rol speelt bij de installatie- en levensduurkosten van een systeem. Hoewel het aanbrengen van perovskieten bovenop silicium de fabricagekosten verhoogt, zegt hij dat de genivelleerde kosten van de combinatiecel in de loop van de tijd onder het silicium moeten dalen omdat deze nieuwe cellen efficiënter zijn. Oxford heeft de afgelopen jaren verschillende wereldrecords gevestigd op het gebied van efficiëntie voor dit type cel, meest recentelijk tot 29,5%.
Microquanta Halfgeleider , een Chinees perovskietbedrijf gevestigd in Hangzhou, neemt ook enkele aanwijzingen van siliciumzonnecellen. Het bedrijf maakt panelen van stijve, met glas omhulde cellen die zijn gemaakt met perovskieten.
De proeffabriek van Microquanta is in 2020 geopend en zou tegen het einde van het jaar 100 megawatt aan capaciteit moeten bereiken, zegt Buyi Yan , de chief technology officer van het bedrijf. Het bedrijf heeft demonstratiepanelen geïnstalleerd op verschillende gebouwen en zonneparken in heel China.
Oplossen voor stabiliteit
De stabiliteit van perovskieten verbeterde binnen enkele jaren van minuten tot maanden. Maar de meeste siliciumcellen die tegenwoordig zijn geïnstalleerd, hebben een garantie van ongeveer 25 jaar, een doel dat perovskieten mogelijk nog niet kunnen bereiken.
Perovskieten zijn bijzonder gevoelig voor zuurstof en vocht, die de bindingen in het kristal kunnen verstoren, waardoor elektronen niet effectief door het materiaal kunnen bewegen. Onderzoekers hebben gewerkt aan het verbeteren van de levensduur van perovskieten, zowel door minder reactieve perovskietrecepten te ontwikkelen als door betere manieren te vinden om ze te verpakken.
Oxford PV, Microquanta en Saule zeggen allemaal dat ze het stabiliteitsprobleem hebben opgelost, in ieder geval goed genoeg om hun eerste producten te verkopen.
Het schatten van de langetermijnprestaties van zonnecellen wordt meestal gedaan door versneld testen, cellen of panelen onder extra stressvolle omstandigheden te plaatsen om jarenlange slijtage te simuleren. De meest gebruikelijke reeks tests voor siliciumcellen voor buiten is een serie die de IEC 61215 wordt genoemd.
Oxford en Microquanta zijn beide geslaagd voor de tests in deze serie met betrekking tot celprestaties. Saule heeft een aantal tests doorstaan, maar werkt nog aan andere, zoals de vochtigheidstest, zegt Malinkiewicz.
Het halen van de volledige serie betekent meestal dat een siliciumzonnepaneel minstens 25 jaar meegaat, hoewel onderzoekers niet zeker weten of dezelfde correlatie geldt voor nieuwe materialen zoals perovskieten.
Oxford PV screende enkele van de duizenden verbindingen die deel uitmaken van de perovskietfamilie om stabielere formuleringen te vinden. Het bedrijf weigerde prestatiedetails vrij te geven, hoewel Case zegt dat ze absoluut verwachten dat hun producten een vergelijkbare levensduur hebben als siliciumcellen. Het bedrijf installeerde in december 2019 testpanelen op een dak in Midden-Europa, en Case zegt tot nu toe dat de panelen met hun perovskiet-gelaagde cellen dezelfde degradatie vertonen als commerciële siliciumpanelen die ze ter vergelijking hebben geïnstalleerd.
Yan van Microquanta zegt dat het bedrijf in februari 2020 buiten testcellen heeft geïnstalleerd die vandaag nog steeds hetzelfde piekvermogen bereiken als toen ze werden geïnstalleerd.
Microquanta demonstreert zijn zonnepanelen op gebouwen en in zonneparken in heel China.
MICROQUANTA HALFGELEIDEROm de stabiliteit van zijn producten te verbeteren, heeft Saule wijzigingen aangebracht in de metalen contacten in de cel, evenals in de perovskietlaag. De eerste generatie perovskietcellen van Saule met een plastic omhulsel hebben een prestatiegarantie van minimaal 10 jaar, zegt Malinkiewicz. Hoewel siliciumcellen langer meegaan, hoopt ze dat de lagere prijs en het installatiegemak klanten zullen overtuigen om een kortere levensduur te accepteren.
Sommige onderzoekers zijn niet overtuigd door deze beweringen. De stabiliteitsproblemen zijn, voor zover ik weet, niet erg goed aangepakt, zegt Letian Dou , een perovskietonderzoeker aan de Purdue University in Indiana. Dou zegt dat het moeilijk is om te zeggen wat deze bedrijven van plan zijn, omdat ze hun materiële ontwikkelingen geheim houden, hoewel hij eraan toevoegt dat het slagen voor externe tests zoals de IEC 61215 veelbelovend is.
Dou's lab is een van de vele die onlangs zijn geselecteerd om financiering te ontvangen van het Amerikaanse ministerie van Energie om te proberen enkele van de resterende problemen van de technologie op te lossen. In maart 2021, de afdeling aangekondigd $ 40 miljoen aan subsidies ter ondersteuning van onderzoek naar perovskieten, voornamelijk voor projecten die gericht zijn op het verbeteren van de stabiliteit van deze materialen en het gemakkelijker maken om ze te produceren.
Hoewel perovskietcellen meer geld en aandacht krijgen, zal alleen de tijd uitwijzen of ze kunnen concurreren met of naast silicium kunnen bestaan. Toch zijn onderzoekers optimistisch over het vooruitzicht dat ze goedkopere, beter toegankelijke zonne-energie kunnen leveren. De tekenen zijn allemaal goed, zegt Berry van het National Renewable Energy Laboratory.
En, voegt hij eraan toe, zelfs na jaren van onderzoek zullen bedrijven die in deze ruimte werken nog steeds enige onzekerheid moeten accepteren. Als je op het randje wilt zijn, zegt hij, zul je met enig risico moeten leven.