Blog 29: Innovatie zonnepanelen

Door Herman van den Bosch

Zien zonnepanelen er over tien jaar nog net zo uit als nu?

Of anders gezegd, hoe zit het met de innovatie van zonnepanelen? Vorig jaar heb ik hier ook al over geschreven. Toen was het al duidelijk dat de zogenaamde dunne film-panelen, gemaakt van poedervormige stoffen op een flexibele ondergrond het niet zouden gaan maken. De meest bekende daarvan bestaan uit een combinatie van koper, indium en selenide (het cis-paneel). Als er ook nog met giftige gallium aan werd toegevoegd hadden ze een diepe zwarte kleur. Veel potentiële belangstellenden vielen op die kleur, maar er zijn nog andere voordelen: Hun productie kost veel minder energie die van silicium zonnepanelen, er zijn minder - weliswaar schaarse - grondstoffen nodig en ze hebben geen negatieve milieueffecten, ten minste zolang er geen gallium aan toegevoegd wordt. Hun marktaandeel is inmiddels gedaald naar 5%.

Andere vernieuwingen hebben wel doorgezet, alle op basis van silicium panelen: Glasglaspanelen, waar de zonnecellen tussen twee dunne glazen platen zitten, wat de duurzaamheid aanzienlijk vergroot, bifaciale panelen, die aan beide zijden licht in elektriciteit kunnen omzetten en PERC-panelen een hoger rendement halen omdat ze door een slimme constructie beter gebruik maken van het rode deel van het spectrum van zonne-energie.

Het feit dat de cis-panelen niet zijn doorgebroken en meer spectaculaire ontwikkelingen uitbleven heeft alles te maken met de moordende concurrentie tussen de fabrikanten van silicium panelen: Tussen 2010 en 2013 halveerde hun prijs. Meer innovatie varianten worden in veel kleinere series gemaakt en zijn daarom prijstechnisch niet aantrekkelijk.

Onderzoek naar alternatieven is in volle gang

Maar de bestaande panelen laten nog veel te wensen over. Het zijn vooral drie verbeteringen die onderzoekers uitdagen:

Verlagen van de kostprijs van de geproduceerde energie
Verlengen van de levensduur
Verhogen van het energetisch rendement

Dit laatste wens hangt nauw samen met de snelle groei van het aantal zonnepanelen. Als in 2050 30% van alle benodigde energie opgewekt moet worden door middel van het huidige type zonnepanelen, moet de productie van silicium met een factor 50 stijgen. Maar het is tevens zeer de vraag of er genoeg plaats is voor al die panelen. De uitdaging is daarom, de energieopbrengst per paneel aanzienlijk te verhogen.

Zonnecel van perovskiet. Foto: Oxford Voltaics

De drie bovenstaande wensen zijn lastig te combineren. Zonnecellen die in plaats van silicium organische materialen gebruiken zoals polymeren en pigment zijn goedkoop omdat ze gedrukt(!) kunnen worden, ze hebben een laag rendement en hun levensduur is kort.

Veelbelovend zijn zonnecellen van perovskiet. Deze stof kan massaal worden geproduceerd. Ze kunnen worden gedrukt en zijn mede daardoor goedkoop en hun rendement is beter dan dat van silicium zonnecellen. Hun slijtvastheid is nog niet ideaal. Een uitvoering in de vorm van glasglaspanelen lijkt een oplossing. Ook bevatten de meeste prototypen het giftige lood, wat vervangen kan worden door tin.

Het grote probleem is dat welk materiaal ook wordt gebruikt, steeds maar een deel van het spectrum van de zonnestraling wordt benut, waardoor een verbetering van het rendement altijd beperkt zal zijn.

Zoals zo vaak ligt die oplossing voor de hand: Gebruik niet één type zonnecel, maar leg er twee of drie van verschillende materialen op elkaar, ingekapseld tussen glazen platen. We spreken dan van tandemcellen.

De fabriek van Oxford Photovoltaics in Brandenburg an der Havel (Duitsland)

In juni 2018 heeft Oxford Photovoltaics door silicium en perovskiet zonnecellen te combineren een rendement van 27,3% bereikt voor commercieel te vervaardigen zonnepanelen. Een derde laag laat zich makkelijk zonder noemenswaardige kosten aanbrengen waardoor het rendement nog eens 6% toeneemt. Theoretisch kan het rendement van deze triple-panelen stijgen tot bijna 50%. De fabriek, overgenomen van Bosch Solar, is drukdoende een productielijn te installeren voor 250 megawatt aan silicium-perovskiet zonnepanelen per jaar en heeft daarvoor $140 miljoen geïnvesteerd. Zelfs vanuit China is er belangstelling voor dit type panelen.

Het begin van innovatie is er.