Perovskiet is momenteel in ontwikkeling als materiaal om de energie van de zon nog beter om te kunnen zetten in elektriciteit. Het materiaal is veelbelovend, al moet er nog veel worden geïnnoveerd tot zonnepanelen kunnen worden voorzien van perovskiet. Sjoerd Veenstra, programmaleider in het lab van TNO waar wordt gewerkt aan perovskiet, licht toe wat perovskiet geschikt maakt om zonne-energie mee op te wekken en op welke vlakken nog geïnnoveerd moet worden.

Een zonnepaneel bestaat hoofdzakelijk uit zonnecellen tussen twee beschermende lagen; meestal glas. Bijna alle zonnecellen worden nu gemaakt uit silicium wat wordt gewonnen uit kwartszand en onder hoge temperaturen moet worden gevormd tot zonnecellen. Perovskiet kan voor sommige toepassingen als alternatief voor silicium worden ingezet omdat het eenvoudiger te fabriceren, minder foutgevoelig en meer flexibel is. Ook kan perovskiet de bestaande silicium technologieën goed aanvullen om nog beter de energie van de zon te benutten.

Wat is perovskiet?
Perovskiet is een halfgeleider, geschikt om de energie van de zon om te zetten in elektriciteit. Perovskiet is makkelijk te verwerken, niet schaars, relatief eenvoudig te produceren en bij de toepassing als zonnecel zeer dun en flexibel, dus eenvoudiger toe te passen in zonnepanelen of te gebruiken bij andere integraties. 

Een voordeel aan perovskiet ten opzichte van silicium is dat het gemakkelijk is om grote hoeveelheden te produceren. Veenstra licht tijdens een rondleiding door het TNO testlab toe hoe perovskiet geprint kan worden en laat de machines zien die hier voor nodig zijn.

Het is makkelijker om perovskietcellen te produceren dan silicium cellen. Veenstra: “Perovskiet kan je aanbrengen op bijvoorbeeld een glasplaat in een dun laagje vanuit een oplossing. De temperatuur die hierbij komt kijken is zo’n 120 tot 140 graden Celsius. Bij silicium heb je voor het proces veel hogere temperaturen nodig. Ook moet je zeer zuiver silicium maken, wat meer energie vergt. De energie-inhoud van een perovskietcel is dus veel lager dan een siliciumcel.”

Ook is de productie van perovskiet minder gevoelig voor onzuiverheden. Al is de zoektocht naar wat precies de juiste samenstelling moet zijn nog niet volbracht. Veenstra: “We testen hier aan het perovskiet zelf door de samenstelling te variëren en we testen aan het volledige pakketje van barrières, lijmlagen en edge seals. Al die variabelen moeten goed, onderling compatibel en stabiel zijn. Deze stabiliteitsvoorwaarden in perovskietcellen zijn dus eigenlijk een veelkoppig monster.”

Een ander voordeel van perovskiet is dat het oplost in water. Veenstra: “Opgelost perovskiet kun je weer opvangen, zuiveren en herbruiken voor het maken van nieuwe cellen. Dat gaat zelfs heel goed. Het is mogelijk om twintig keer het perovskiet op te lossen, te scheiden en weer opnieuw bruikbaar te maken voor energieproductie.”

Wat moet er nog worden onderzocht?
De laatste jaren wordt perovskiet doorontwikkeld om uiteindelijk net zo rendabel te zijn als silicium in het opwekken van energie. De beste perovskietcellen die bij TNO getest worden hebben nu een rendement van ongeveer 20 procent. “Maar dit gaat om kleine cellen”, licht Veenstra toe. “Als we kijken naar perovskietcellen ter grootte van kleine tegeltjes dan halen we een rendement van 16 procent voor een semi-transparante module op glas. Als we op dat zelfde tegeltje een kleine cel maken, dan kunnen we daar ongeveer 20 procent op halen. Voor niet-transparant modules op glas ligt de efficiëntie – buiten TNO – tussen de 14 en de 20 procent.” Even ter vergelijking: het rendement van een gemiddeld siliciumzonnepaneel zit tussen de 20 en 25 procent.

Een vaak genoemd nadeel aan het gebruik van perovskiet voor zonnepanelen is het feit dat het lood bevat. Lood is in principe schadelijk voor de gezondheid en de omgeving, maar Veenstra plaatst het gebruik van lood graag even in perspectief. “De hoeveelheden lood die nodig zijn in perovskietcellen zijn vele malen kleiner dan bijvoorbeeld de hoeveelheid die in een batterij voorkomt. Bovendien zijn er al oplossingen om het lood deels te vervangen door tin. Het enige vervelende aan het verwerken van lood in de perovskietcellen is de mogelijkheid dat het lood vrij komt wanneer het perovskiet in contact komt met water. Maar daarom werken we er hier hard aan om de juiste insluiting van het perovskiet te vinden zodat dit niet mogelijk is.”

Geen vervanging maar een aanvulling
Perovskiet is een stuk dunner dan silicium en weegt niet veel. Perovskiet kan daarom in de toekomst als aanvulling op de bestaande technologie worden gebruikt voor een hoger rendement zonder dat dit afdoet aan de vorm en functie van het paneel. Perovskiet kan in tandem worden geplaatst met silicium cellen door een klein laagje perovskiet aan te brengen over het silicium.

Veenstra licht toe hoe dit werkt: “De tandem kan een groter deel van het zonlicht omzetten in energie. Zo kan perovskiet worden toegepast om het zichtbare deel van het licht om te zetten en silicium het nabij infrarood gedeelte van het spectrum dat door perovskiet nog niet wordt benut. Door de twee materialen in tandem in een zonnecel aan te brengen wordt het rendement van het gehele paneel verhoogd.”

Perovskiet in tandem kan al een rendement behalen van 34­ procent, stelt Veenstra, een nieuw record behaald door LONGi Solar.

Building Integrated Photovoltaics
De flexibiliteit van perovskiet maakt het ook uitermate geschikt voor toepassing in Building Integrated Photovoltaïcs (BIPV). “Geïntegreerde PV is belangrijk in Europa omdat we een beperkt oppervlak hebben en het oppervlak willen we voor van alles en nog wat gaan gebruiken. We willen landbouw, we willen veeteelt, we willen woningbouw, we willen defensie, we willen industrie, waterwegen, gewone wegen, dus die beschikbaarheid van oppervlak is een issue. Daarom zou het integreren met perovskiet in de bouwschil een mooie oplossing zijn”, aldus Veenstra.

Je kan perovskiet zelfs zo eenvoudig integreren dat Veenstra stelt dat de “samenleving blij wordt van goed geïntegreerde zonnecellen”. Veenstra: “Want je ziet het bijna niet meer. Je ziet de energiecentrale niet meer en dat helpt waarschijnlijk voor blijvende acceptatie van de technologie.”

Veenstra gelooft dat perovskiet in de toekomst een belangrijke rol kan spelen in het winnen van energie uit de zon. Hoewel de technologie er nog niet helemaal klaar voor is, wordt er bij TNO hard aan gewerkt, en zal te toekomst uitwijzen wat de impact van perovskiet gaat zijn.