26 sep Rendement van 30% bereikt met vier terminal perovskiet-silicium PV-tandemcellen
EINDHOVEN, 26 September 2022 – TNO, TU Eindhoven, imec en TU Delft, partners in Solliance, hebben de krachten gebundeld om de conversie-efficiëntie van tandemzonnecellen verder te verhogen tot voorbij de grenzen van de huidige commerciële fotovoltaïsche (pv) modules. Voor het eerst doorbreken perovskiet/silicium-tandems met vier terminals waarbij de topcel gecertificeerd is, de barrière van 30%. Zo’n hoog rendement maakt het mogelijk om meer vermogen per m2 en minder kosten per kWh te realiseren. Het resultaat is gepresenteerd tijdens de 8e Wereldconferentie over fotovoltaïsche energieconversie (WCPEC-8) in Milaan en is bereikt door de nieuw opkomend perovskiet-zonneceltechnologie te combineren met conventionele siliciumzonneceltechnologie. De perovskiet-cel die transparante contacten heeft en de gestapelde tandem vormt, is onafhankelijk gecertificeerd.
Het realiseren van een hoge-vermogensdichtheid zal meer kansen creëren om deze zonnecellen te integreren in constructie- en bouwelementen, zodat meer bestaande oppervlakken kunnen worden bedekt met pv-modules. Het doorbreken van de 30%-barrière is dan ook een grote stap in het versnellen van de energietransitie en het verbeteren van de energiezekerheid, omdat we zo minder afhankelijk worden van fossiele brandstoffen.
Van links naar rechts: Yifeng Zhao (TU-Delft), Mehrdad Najafi (TNO), Valerio Zardetto (TNO) and Dong Zhang (TNO) (foto: Niels van Loon)
Onderste silicium zonnecel en bovenste perovskiet zonnecel met transparante contacten. (foto: Niels van Loon)
Het beste van twee werelden
Met tandems kunnen hogere rendementen worden bereikt dan met enkelvoudige zonnecellen omdat het zonnespectrum beter wordt benut. De momenteel in opkomst zijnde tandems combineren commerciële siliciumtechnologie voor de onderste module met daar bovenop liggende perovskiet technologie: deze laatste biedt een zeer efficiënte conversie van ultraviolet en zichtbaar licht en een uitstekende transparantie voor nabij-infraroodlicht. In tandems met vier terminals (4T: vier elektrische contacten) werken de bovenste en onderste cellen onafhankelijk van elkaar, waardoor het mogelijk is om in dit soort modules verschillende onderste cellen toe te passen. Zowel commerciële PERC-technologie als hoogwaardige technologieën zoals heterojunctie-, TOPCon- of dunnefilm technologie zoals CIGS kunnen in een 4T-tandem worden toegepast zonder noemenswaardige wijzigingen aan de zonnecellen. Bovendien maakt de architectuur met vier terminals het eenvoudig om bifaciale (tweezijdig licht invangende) tandems te implementeren, die de energieopbrengst verder verhogen.
Onderzoekers uit Nederland en België hebben de efficiëntie van de semi-transparante perovskiet-cellen weten te verbeteren naar 19,7% met een oppervlakte van 3×3 mm2 en certificering van deze waarde verkregen van ISPRA (Italië). “Dit type zonnecel heeft een hoogtransparant achtercontact waardoor meer dan 93% van het nabij-infrarode licht de onderste module bereikt. Dit resultaat is bereikt door eerst alle lagen van de semi-transparante perovskiet-zonnecellen te optimaliseren met behulp van geavanceerde optische en elektrische simulaties, als leidraad voor het experimentele werk in het laboratorium”, aldus dr. Mehrdad Najafi van TNO. “De siliciummodule is een 20 x 20 mm2grote heterojunctie-zonnecel met geoptimaliseerde oppervlaktepassivatie, transparante geleidende oxides en verkoperde voorzijdecontacten voor state-of-the-art geleiding van elektrische lading”, zegt Yifeng Zhao, promovendus aan de TU Delft, wiens resultaten onlangs door collega’s beoordeeld zijn. De optisch onder het perovskiet liggende siliciummodule draagt met 10,4% efficiëntiepunten bij aan de totale conversie van zonne-energie.
Gecombineerd is de conversie-efficiëntie van deze ‘non-area matched’ 4T-tandems die onafhankelijk werken 30,1%. Dit beste rendement ter wereld is gemeten volgens algemeen aanvaarde procedures.
Toekomst van tandem-pv-modules met vier terminals
Dat is nog niet alles. Het combineren van deze hoogtransparante perovskiet-cel met andere, op silicium gebaseerde technologieën zoals achtercontact (“Metal Wrap Through”- en ” Interdigitated Back Contact”)-cellen en TOPCon-zonnecellen heeft eveneens conversie-efficiëntiewaarden opgeleverd die de 30% benaderen. Dit bewijst het potentieel van deze flexibele, hoogtransparante perovskiet-zonnecellen om te worden gecombineerd met uiteenlopende reeds gecommercialiseerde technologieën.
Deze beste efficiëntiewaarden ter wereld, gerealiseerd door het combineren van een groot aantal gevestigde technologieën, zijn een nieuwe mijlpaal richting industriële toepassing. “We kennen nu de ingrediënten en kunnen de laagopbouw beheersen die nodig zijn om een efficiëntie van meer dan 30% te realiseren. In combinatie met de schaalbaarheidsexpertise en -kennis die we de afgelopen jaren hebben opgedaan om materialen en processen op grote schaal toe te passen, kunnen we ons samen met onze industriële partners richten op de massaproductie van deze technologie met een efficiëntie van meer dan 30%”, aldus Prof. Gianluca Coletti, programmamanager Tandem Technology & Application bij TNO.
Met dank aan:
TNO (Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek), Tandem PV Tandem Technology & Application-programma, ondersteund door Samenwerkingsmiddelen Onderzoek (SMO) van het Nederlandse ministerie van Economische Zaken en Klimaat en de partners Forschungszentrum Jülich, SolarLab Aiko Europe en ENEL Green Power 3Sun.
Nederlands Joint Solar Program III (JSP III), een samenwerkingsverband van de Technische Universiteit Delft (TU Delft), Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), Universiteit van Amsterdam en onderzoeksinstituut AMOLF. Het doel van JSP III is fundamentele kennis te verwerven en technologieën te ontwikkelen die nodig zijn om tandems met een rendement van 30% te realiseren op basis van kristallijn silicium en dunnefilm perovskiet-zonnecellen.
Hiper XL: Dit werk is medegefinancierd in het kader van het RVO/TKI Urban Energy-programma (TKI toeslag) voor onderzoek en innovatie via het HIPER XL-project (projectnummer 1921202). Dit project wordt onder auspiciën van SOLAR-ERA.NET Cofund ondersteund door RVO (NL), Tubitak (TR), AEI (ES). SOLAR-ERA.NET wordt ondersteund door de Europese Commissie binnen het EU-kaderprogramma voor onderzoek en innovatie HORIZON 2020 (Cofund ERA-NET-actie, nr. 691664).
Over de partners:
Over TNO
De Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek TNO is een onafhankelijke onderzoeksorganisatie. Wij verbinden mensen en kennis om innovaties te creëren die de concurrentiekracht van bedrijven en het welzijn van de samenleving duurzaam versterken. Dat is onze missie en daar werken wij, de ruim 3500 professionals van TNO, dagelijks aan. We werken, samen met partners, gericht aan transities in negen maatschappelijke domeinen die we samen met onze stakeholders hebben geïdentificeerd. Kijk voor meer informatie op www.tno.nl.
Over imec
Imec is ’s werelds toonaangevende onderzoeks- en innovatiehub op het vlak van nano-elektronica en digitale technologie. De combinatie van onze voortrekkersrol in microchiptechnologie en onze software- en ICT-expertise maakt ons uniek. Imec beschikt over een unieke infrastructuur en een lokaal en internationaal ecosysteem van partners in diverse sectoren. Samen werken we aan baanbrekende innovatie in toepassingsdomeinen zoals gezondheidszorg, slimme steden en mobiliteit, logistiek en Industrie 4.0, energie en onderwijs. Imec is een vertrouwde partner van bedrijven, start-ups en universiteiten, en brengt meer dan 4.000 topwetenschappers uit meer dan 88 landen samen. Imec heeft zijn hoofdzetel in Leuven en R&D-groepen die verspreid zijn over een aantal Vlaamse universiteiten, in Nederland, Taiwan, de VS, China, en kantoren in India en Japan. In 2017 bedroegen de bedrijfsopbrengsten van imec 546 miljoen euro. Meer informatie op www.imec-int.com
Over Technische Universiteit Eindhoven
De TU/e profileert zich als een toonaangevende, internationale universiteit gespecialiseerd in engineering science & technology, met belangrijke onderzoeksactiviteiten op het gebied van zonne-energie. Op het gebied van hybride perovskiet zonnecellen en in samenwerking met Solliance, wordt onderzoek verricht bij de afdelingen Scheikundige Technologie en Chemie (Prof. R.A.J. Janssen) en Toegepaste Natuurkunde en Wetenschappelijk Onderwijs (Prof. M. Creatore). Het onderzoek omvat de synthese en karakterisering van hybride perovskietzonnecellen en interface engineering door atoomlaagafzetting.
Over Technische Universiteit Delft
De Technische Universiteit Delft is de grootste technische universiteit van Nederland. Opgericht in 1842, behoort zij tot de eerste 20 technische universiteiten in de wereld vanwege haar uitstekende kwaliteit van onderzoek en onderwijs. De universiteit heeft 8 faculteiten in alle belangrijke gebieden van wetenschap en techniek, met meer dan 26.000 studenten. De groep Photovoltaic Materials and Devices (PVMD), geleid door prof. dr. Olindo Isabella, richt zich op de ontwikkeling van fotovoltaïsche technologieën en toepassingen in de gehele waardeketen. In zijn onderzoeksfaciliteiten heeft de PVMD-groep ultramoderne processen ontwikkeld voor de fabricage van zonnecellen op basis van kristallijn silicium met hoog rendement. De PVMD-groep streeft naar een beter begrip van de fysica van zonnecellen met behulp van geavanceerde karakteriserings- en modelleringsinstrumenten en wil deze kennis gebruiken voor het ontwerpen en vervaardigen van geavanceerde zonnecellen met een hoger rendement.
