Rendement van 30% bereikt met vier terminal perovskiet-silicium PV-tandemcellen

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 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.

Het resultaat is gepresenteerd tijdens de 8ste 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 beste van twee werelden

Met tandems kunnen hogere rendementen worden bereikt dan met enkelvoudige zonnecellen; het zonnespectrum wordt immers beter benut. De momenteel in opkomst zijnde tandems combineren commerciële siliciumtechnologie voor de onderste module met een 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 3x3 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 Mehrdad Najafi van TNO. ‘De siliciummodule is een 20 x 20 mm2 grote 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

Maar dat is nog niet alles. Het combineren van deze hoogtransparante perovskiet-cel met andere, op silicium gebaseerde technologieën zoals achtercontact-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 Gianluca Coletti, programmamanager Tandem Technology & Application bij TNO.