Elk uur stuurt de zon meer energie naar de aarde dan de mensheid in een heel jaar verbruikt.
Als we de duurzame energiebron die de zon is, efficiënt kunnen benutten, kunnen we in de toekomst een aanzienlijk deel van ons elektriciteitsverbruik dekken met zonne-energie.
Het rendement van zonnecellen is de hoeveelheid energie uit zonlicht die de zonnecel kan omzetten in elektriciteit. Dus als een zonnecel een rendement van 25 procent heeft, kan een kwart van al het zonlicht dat op de cel valt, worden benut.
Op dit moment kunnen de efficiëntste zonnecellen 23 procent van het zonlicht omzetten in bruikbare elektriciteit, en 29 procent bij ideale weersomstandigheden. Het gemiddelde voor alle zonnecellen ligt op 15 à 20 procent.
Chinese en Japanse onderzoekers melden nu belangrijke doorbraken in hun pogingen om de efficiëntie van zonnecellen te verhogen.
Dit is te danken aan een ‘wondermateriaal’, dat volgens de onderzoekers niet alleen meer energie produceert, maar ook veel goedkoper in massa geproduceerd kan worden dan traditionele siliciumcellen.
De studie van de universiteit van Nanjing laat zien dat perovskiet in combinatie met silicium (een zogeheten tandemzonnecel) het rendement kan verhogen tot ruim 30 procent. En er is zelfs uitzicht op een rendement van ruim boven de 35 procent. Daarmee kunnen de zonnecellen een belangrijke bijdrage leveren aan de mondiale energietransitie.
‘Nu deze drempel is genomen, hebben we er vertrouwen in dat er binnenkort tandemzonnecellen met hoge prestaties en lage kosten op de markt kunnen komen,’ zegt coauteur Tan Hairen, hoogleraar aan het College of Engineering & Applied Sciences van de universiteit van Nanjing.
Een goedkope tweelaagse zonnecel
Vanwege een wereldwijd tekort aan silicium experimenteren onderzoekers over de hele wereld met alternatieve materialen voor de productie van zonnecellen.
Perovskiet is een mineraal met unieke optische en elektronische eigenschappen, waardoor het een veelbelovend materiaal is voor de productie van zonnecellen.
De Chinese en Japanse onderzoekers experimenteerden met de toevoeging van een laagje perovskiet op de siliciumlaag van zonnecellen, en ze konden aantonen dat deze tandemzonnecel het rendement aanzienlijk verbetert.
Het mooie aan de tandemzonnecel is dat de perovskietlaag kortgolvig zonlicht opneemt en de siliciumlaag langgolvig zonlicht.
Hierdoor vangt de zonnecel in totaal meer zonlicht op. En doordat elke cel meer energie opneemt, wordt de prijs van zonne-energie lager, waardoor zonnecellen zich sneller kunnen verspreiden.
Hoewel tandemzonnecellen nog steeds de productie van de duurdere siliciumcellen vereisen, is er minder silicium nodig bij de productie. En omdat tandemzonnecellen het rendement verbeteren, hoeven er minder zonnecellen te worden geïnstalleerd en is er dus minder silicium nodig om dezelfde hoeveelheid energie op te wekken.
Meer over de zonnecellen van de toekomst
- Het mineraal perovskiet werd in 1839 in de Russische Oeral ontdekt.
- Het heeft een bijzondere kristalstructuur en bestaat uit calcium, zuurstof en titanium.
- Vanwege het hoge rendement, de betaalbaarheid en het geringe milieu-effect wordt perovskiet gezien als een van de meest veelbelovende technologieën voor effectieve, goedkope zonne-energie.
- Perovskietmineralen hebben een zeer fijnmazige nanostructuur, waardoor ze beter licht kunnen opvangen dan klassieke siliciumzonnecellen.
- Met perovskiet kan een groter deel van het zonlicht worden omgezet in energie.
- Zonnecellen met een laagje perovskiet zijn licht, flexibel en kunnen op vrijwel elk oppervlak worden gemonteerd, zelfs aan de binnenkant van gebouwen.
- Perovskietmaterialen zijn ook supergeleiders en geleiden elektriciteit zonder weerstand.
- De nieuwe perovskiet-siliciumtandemzonnecellen combineren het beste van kristallijn silicium en eerdere generaties dunnefilmzonnecellen, wat zorgt voor een hoog rendement en een betere bruikbaarheid. Ze bestaan uit laagjes silicium en perovskietkristallen.
- Tandemzonnecellen verhogen de open-circuitspanning, waardoor een hogere stroomconversie mogelijk is.
Tan Hairen is ervan overtuigd dat tandemzonnecellen van perovskiet en silicium binnenkort de weg vrijmaken voor massaproductie van ultra-efficiënte en goedkope zonnecellen.
‘De grondstoffen van perovskietcellen zijn goedkoop en makkelijk verkrijgbaar, waardoor de productie van deze cellen slechts een twintigste kost van die van traditionele siliciumcellen. Bovendien zijn ze eenvoudiger te produceren en kunnen ze in één fabriek worden gemaakt,’ zegt hij.
Hoge verwachtingen
Perovskiet is niet nieuw.
In 2017 noemde Zeev Valy Vardeny, een bekende hoogleraar materiaalkunde van de universiteit van Utah, perovskiet ‘een fantastisch wondermateriaal’, nadat er tekenen waren dat dit materiaal de omzetting van zonlicht in elektriciteit door zonnecellen zou kunnen verbeteren.
Het potentieel van perovskiet in zonnecellen was dus al bekend, maar dit nieuwe onderzoek presenteert het eerste definitieve bewijs voor het krachtige effect.
Daarom zijn de verwachtingen hoger gespannen dan ooit, en de vraag is of het materiaal na de jarenlange hype niet zal teleurstellen.
In eerste instantie willen de onderzoekers grotere modellen bouwen. Zonnecellen van een centimeter breed zijn prima voor in het laboratorium, maar commerciële zonnecellen zijn met circa 15 cm2 een stuk groter.