Begin jaren negentig werkte een onderzoeksteam onder leiding van Andrew Blakes en Martin Green aan de University of New South Wales (UNSW) in Australië eraan om het wereldrecord voor de meest efficiënte monokristallijne zonnecel terug te winnen. De groep had in de jaren tachtig het voortouw genomen met een reeks recordbrekende ontwikkelingen die de efficiëntie van energieconversie in in het laboratorium gemaakte monsters van zonne-PV-cellen opvoerden van 18% in 1984 tot 20% in 1986, maar had de leiding in 1988 verloren aan een concurrerend team van Stanford University.

In 1989 rapporteerde de UNSW-groep een nieuw type zonnecelontwerp, genaamd een Passive Emitter Rear Collector (PERC) cel, met een efficiëntie van 22-23%, waarmee het wereldrecord voor het team werd teruggewonnen.

Gedurende de jaren negentig verhoogden verbeteringen aan de PERC-celtechnologie door het team de celefficiëntie tot 25%, een record dat 15 jaar zou standhouden.

Spoelen we vooruit naar 2015, dan hadden PERC-zonnecellen de overgang gemaakt van laboratoriumcuriositeit naar toepassing in massaal geproduceerde zonnepanelen. In de daaropvolgende jaren is PERC de zonnemarkt gaan domineren. In 2019 waren alle nieuw geïnstalleerde productielijnen voor zonnecellen gebaseerd op PERC-technologie, en PERC was goed voor 65% van alle geproduceerde zonnecellen.

Wat we uit deze geschiedenis kunnen opmaken, is dat hoewel het laboratoriumontwikkelingswerk aan PERC-cellen in 1999 was voltooid, het nog 16 jaar duurde voordat producten op basis van deze technologie op de markt verschenen.

Uit de grafiek kunnen we ook aflezen dat er tussen 1999 en 2014 geen verdere vooruitgang was in het verbeteren van de efficiëntie van monokristallijne cellen in laboratoria over de hele wereld. Als recente recordbrekende ontwikkelingen even lang duren om van onderzoeksapparaten naar volumeproductie te gaan, zullen we tot 2030 moeten wachten voordat ze in commerciële zonnepanelen verschijnen.

Het kan heel goed zijn dat, door de enorme groei van de zonne-industrie in de tussentijd, de huidige onderzoeksbudgetten veel groter zijn dan die in 1999, waardoor we misschien geen 16 jaar hoeven te wachten. Maar onmiskenbaar zou de introductie van PERC een plateau kunnen vertegenwoordigen in de meedogenloze opmars van zonnecelefficiëntie, die al vele jaren een kenmerk is van de zonne-PV-markt.

Hoe hebben paneelfabrikanten gereageerd?

Nu klanten gewend zijn geraakt aan panelen waarvan het vermogen elk jaar toenam, hebben fabrikanten hun toevlucht genomen tot wat een goedkope truc lijkt. Als de cellen niet efficiënter worden, laten we de panelen dan groter maken. Er is een wildgroei aan verschillende celformaten en paneelgroottes ontstaan. Zie mijn eerdere blog over de proliferatie van paneel- en celformaten.

Deze niet zo subtiele goocheltruc heeft het feit verdoezeld dat de technologie is gestagneerd. Hoewel de paneelvermogens toenemen, stijgt het specifieke vermogen (vermogen per vierkante meter) slechts licht en dit is te danken aan een efficiëntere plaatsing van de cellen in de grotere panelen.

Er is echter een grens aan hoe groot je een module kunt maken voordat nadelen op het gebied van hantering en installatiegemak de voordelen beginnen te compenseren en uiteindelijk overtreffen, vooral bij zonne-energie op daken waar mechanische hantering minder eenvoudig te regelen is.

Hoe nu verder met de efficiëntie van zonnecellen?

De uitdaging voor onderzoekers die streven naar hogere zonnecelefficiëntie is dat cellen al dicht bij een 'bakstenen muur' komen – de Shockley-Queisser-limiet. Deze theoretische efficiëntielimiet is gebaseerd op fysische wetten. Voor een monokristallijne siliciumcel met één p-n-overgang, zoals die tegenwoordig in zonnepanelen worden gebruikt, is de limiet 32%. Met laboratoriumcelefficiënties van 26,1% is het huidige record al 81% van het maximaal mogelijke.

Sommige deelnemers uit de industrie wijzen op Heterojunction Technology (HJT) cellen als de opvolger van PERC. Geïntroduceerd door Sanyo in de jaren tachtig en overgenomen door Panasonic in 2009, hebben HJT-zonnecellen momenteel een wereldrecordefficiëntie van 26,7%, iets hoger dan PERC-cellen, maar deze cellen hebben een vergelijkbare theoretische efficiëntielimiet gebaseerd op een enkele p-n-overgang.

Eén manier om los te komen van de theoretische efficiëntielimiet is het creëren van een cel met meerdere p-n-overgangen, elk afgestemd op verschillende golflengten. Een breder scala aan lichtgolflengten kan dan worden omgezet in elektriciteit.

Onder degenen die een meerlaagse cel onderzoeken, lijkt één benadering, genaamd een tandem-perovskietcel, het dichtst bij commercialisering te staan. (Zie bijvoorbeeld Oxford Photovoltaics). Een dunne film van fotovoltaïsch perovskietmateriaal wordt aangebracht op het oppervlak van de siliciumcel. Het perovskiet onttrekt energie aan één reeks lichtgolflengten en laat de rest door voor omzetting door de siliciumcel eronder. Efficiënties van bijna 30% zijn in het laboratorium bereikt en, belangrijk, de verbeteringssnelheid is snel, wat suggereert dat er verdere verbeteringen in het verschiet liggen.

Het probleem voor elke uitdagende technologie is het overwinnen van de inertie van enorme investeringen in bestaande productiefaciliteiten voor kristallijne siliciumcellen en het bewijzen aan klanten dat het volgende nieuwe product een vergelijkbare levensduur zal hebben. Wat interessant is aan de benadering van de tandem-perovskietcel, is dat deze letterlijk voortbouwt op de beproefde kristallijne siliciumcel door een nieuwe laag toe te voegen. Bestaande installaties zouden kunnen worden aangepast in plaats van gesloopt, en de taak om de levensduur te bewijzen wordt iets minder uitdagend.

De snelle opkomst van een wereldwijde zonne-industrie is gedreven door een dalende kostprijs van door zonne-energie opgewekte energie, door de kosten per wattpiek van PV-modules steeds verder te verlagen. De twee drijfveren van technologische verbeteringen aan de energiedichtheid van cellen en schaalefficiënties hebben samengewerkt om deze kosten per wattpiek jaar na jaar te verlagen.

Nu lijkt het erop dat de celtechnologieën die de industrie zover hebben gebracht, hun limiet naderen.

Totdat de baanbrekende celtechnologieën van vandaag de reis van laboratorium naar massaproductie maken, zoals de uitvindingen van het UNSW-team, zal de zonne-industrie meer moeten vertrouwen op schaalvoordelen en productie-efficiëntie om verbeteringen te stimuleren.

Deze blog werd voor het eerst gepubliceerd op Solar Blogger hier