Huidige en toekomstige innovaties in zonneceltechnologieën

Zonne-energie, de op twee na grootste hernieuwbare energiebron na waterkracht en windenergie, heeft zich ontpopt als een schoon, duurzaam en krachtig alternatief voor fossiele brandstoffen. Het zonlicht dat de aarde treft, is meer dan 10.000 maal het totale energieverbruik van de wereld, en de technologieën om zoveel mogelijk zonne-energie te oogsten nemen een hoge vlucht. Sinds de eerste commerciële silicium (Si)-zonnepanelen in 1954 door Bell Laboratories werden gecreëerd, maken de meest gangbare technologieën vandaag gebruik van verschillende vormen van op Si-gebaseerde zonnecellen en zetten zij tot 20% van het zonlicht om in elektriciteit.

Volgens de marktanalyse van het IEA heeft de opwekking van fotovoltaïsche zonne-energie (PV) – het proces van het omzetten van zonlicht in elektriciteit – in 2019 720 TWh bereikt, van 585 TWh in 2018, en zal deze naar verwachting toenemen tot 1.940 TWh in 2025. De huidige maximale wereldwijde capaciteit van zonne-energie is 592 GW, wat 2,2% bijdraagt aan de wereldwijde elektriciteitsproductie.

Wat zijn de huidige en aankomende innovatieve materialen?

Een typische zonnecel bestaat uit halfgeleidende materialen zoals p- en n-type silicium met een gelaagde p-n junctie verbonden met een extern circuit. Verlichting door zonlicht op de panelen veroorzaakt elektronuitstoting van silicium. De uitgeworpen elektronen onder een intern elektrisch veld creëren een stroom door de p-n junctie en de externe schakeling, waardoor stroom (elektriciteit) ontstaat. Met een snel groeiende markt en de ontwikkeling van creatieve toepassingen, is O&D op het gebied van innovatieve zonne-energiematerialen op zijn hoogtepunt om een maximaal rendement van zonne-energie naar elektriciteit te bereiken tegen lage kosten. Drie soorten sterk onderzochte halfgeleidende materialen van vandaag zijn kristallijn Si, dunne films, en de volgende generatie perovskiet zonnecellen (PSC’s).

Kristallijn silicium

Kristallijn silicium (c-Si) is het meest gebruikte halfgeleidende materiaal in zonnepanelen, dat meer dan 90% van de wereldwijde PV-markt in beslag neemt, hoewel het rendement aanzienlijk onder de theoretische limiet ligt (~30%). Zonnecellen gemaakt van alternatieve goedkope materialen met een hoog rendement zijn in opkomst.

Het National Renewable Energy Laboratory (NREL) stimuleert de ontwikkeling van kristallijne PV’s met een hoog rendement, waaronder III-V multijunction-materialen (met een nagestreefd rendement van >30%) en hybride tandem III-V/Si-zonnecellen. Hun III-V-zonnecellen met zes juncties hebben een rendement van 47,1% bereikt bij geconcentreerd licht. Bovendien kan de op Si-technologie gebaseerde bifaciale technologie zonne-energie oogsten van beide zijden van het paneel, met 11% meer efficiëntie in vergelijking met standaardpanelen.

Dunne Films

Dunne-film zonnecellen van de tweede generatie verschijnen als een van de meest veelbelovende PV-technologieën vanwege hun smalle ontwerp (350 maal kleinere lichtabsorberende lagen vergeleken met standaard Si-panelen), lichte gewicht, flexibiliteit, en installatiegemak. Gewoonlijk worden vier soorten materialen gebruikt: cadmium-telluride (CdTe), amorf silicium, koper-indium-gallium-selenide (CIGS), en gallium-arsenide (GaAs). Terwijl CdTe een toxiciteitsprobleem heeft vanwege het cadmium, blijken de CIGS-zonnecellen de meer veelbelovende hoogrendements- en economische opties te zijn voor zowel residentiële als commerciële installaties, met een efficiëntie tot 21%.

Ascent Solar is een van de topspelers op het gebied van de productie van hoogwaardige CIGS-modules, waarbij hun superlichte en extreme CIGS-technologie wordt gebruikt in de ruimtevaart, de luchtvaart, de overheid en de publieke sector.

Perovskietzonnecellen

Van de zonnecellen van de volgende generatie hebben hybride metaalhalide-perovskietzonnecellen (PSC’s) veel aandacht gekregen vanwege hun lage prijs, dunnere ontwerp, verwerking bij lage temperatuur, en uitstekende lichtabsorptie-eigenschappen (goede prestaties bij weinig en diffuus licht). PSC’s kunnen flexibel, licht en halfdoorzichtig zijn. Met name perovskiet dunne films kunnen ook worden afgedrukt, wat leidt tot schaalbare high-throughput productie, en een recente roll-to-roll afgedrukte PSC heeft 12,2% efficiëntie bereikt, de hoogste onder afgedrukte PSC’s.

Notably, gecombineerde perovskiet en Si-PV-materialen hebben een recordrendement van maximaal 28% laten zien onder laboratoriumomstandigheden, zoals aangetoond door Oxford PV. Hoewel stabiliteit en duurzaamheid een belangrijk punt van zorg zijn gebleven, heeft een recent goedkoop polymer-glass stack encapsulation systeem PSC’s in staat gesteld om standaard bedrijfsomstandigheden te weerstaan. Hoewel PSC’s nog steeds niet gecommercialiseerd zijn, bieden ze aanzienlijke economische en efficiëntievoordelen om de toekomst van de zonne-energiemarkt te stimuleren.

Wat zijn de baanbrekende integratieve zonneceltechnologieën?

Naast innovatieve materialen zijn er ook creatieve methoden in opkomst om zoveel mogelijk zonne-energie te oogsten. De Zwitserse start-up Insolight maakt bijvoorbeeld gebruik van geïntegreerde lenzen als optische versterkers in het beschermende glas van de panelen om de lichtstralen 200 maal te concentreren en een efficiëntie van 30% te bereiken.

Een andere recente ontwikkeling is het ontwerpen van prototypes van thermoradiatieve PV-apparaten, of omgekeerde zonnepanelen, die ’s nachts elektriciteit kunnen opwekken door gebruik te maken van de warmte die door de panelen wordt uitgestraald naar de optisch gekoppelde diepe ruimte, die als koellichaam fungeert.

Interessant is dat naast innovatieve materialen ook andere integratieve toepassingen dan standaard dakinstallaties in opkomst zijn en momenteel nog in de kinderschoenen staan. Zo kan bij zonnedistillatie zonne-energie worden geoogst terwijl de afgevoerde warmte van de panelen wordt gebruikt om water te zuiveren, mits er een geïntegreerd membraandistillatiehulpstuk is.

Een andere transformatieve technologie van de toekomst zou zonneverven kunnen zijn, die zonneverf waterstof (genereert energie uit fotovoltaïsche watersplitsing), quantum dots (fotovoltaïsche verf), en perovskiet gebaseerde verven omvatten.

Daarnaast zijn transparante zonne-ramen zeer innovatieve toepassingen, en Ubiquitous Energy heeft met hun transparante materialen een omzettingsefficiëntie van zonne-energie naar elektriciteit van 10% bereikt. Een demonstratie van Michigan State University, een pionier in deze technologie, is te zien in deze video:

Met de snelle ontwikkeling van goedkope, krachtige halfgeleidende materialen, ruimtebesparende dunne films, en gemakkelijk installeerbare technologieën, zal de markt voor zonne-energie naar verwachting boom in de komende vijf jaar. Ondanks de tegenslag door de pandemie is de verwachte kostenverlaging van 15% tot 35% tegen 2024 voor zonne-installaties bemoedigend en zou deze hernieuwbare energie betaalbaarder kunnen maken.

Als u vragen hebt of wilt weten of wij uw bedrijf kunnen helpen met zijn innovatie-uitdagingen, neem dan hier contact met ons op of e-mail ons op [email protected].