Perovskiet-zonnecellen: vacuümproces kan leiden tot marktrijpheid

Volgens het Karlsruhe Institute of Technology (Kit) en het National Renewable Energy Laboratory (NREL, VS) zijn industrieel bewezen vacuümprocessen, met bepaalde verbeteringen, prima geschikt voor een snelle commercialisering van perovskiet-zonnecellen.

De meeste onderzoekslaboratoria die zich bezighouden met perovskiet zonnecellen richten zich op productieprocessen op basis van oplosmiddelen. Gevestigde fotovoltaïsche bedrijven gebruiken echter bijna uitsluitend vacuümprocessen voor de afzetting van hoogwaardige dunne films. Het Kit en NREL proberen die twee samen te brengen.

Hun onderzoek is gepubliceerd in Energy & Environmental Science.

Perovskiet-silicium tandemzonnecellen hebben de afgelopen tien jaar een snelle ontwikkeling doorgemaakt: in onderzoek zijn efficiënties van meer dan 33 procent bereikt. Dit betekent dat ze al superieur zijn aan conventionele zonnecellen op basis van silicium. De marktrijpheid laat echter nog op zich wachten. Een van de hindernissen is de onopgeloste vraag welk proces het beste perovskiet-zonnecellen als massaproduct produceert. Productieprocessen op basis van oplosmiddelen, die wereldwijd in laboratoria worden gebruikt, of dampafzettingsprocessen in vacuüm, die standaard zijn bij de productie van dunne films voor fotovoltaïsche energie of organische lichtgevende diodes (Oleds).

Hoe het werkt

• Bij productie op basis van oplosmiddelen worden inkten gebruikt waarin organische en anorganische zouten zijn opgelost in een oplosmiddel. Deze inkten kunnen vervolgens via verschillende druktechnieken op het oppervlak van een substraat worden aangebracht.
• Bij vacuümproductie daarentegen worden droge en oplosmiddelvrije processen gebruikt. Bij dit proces worden de materialen in een vacuüm gesublimeerd met de toevoer van warmte, dat wil zeggen overgebracht van de vaste naar de gasvormige aggregatietoestand en gecondenseerd op het substraatoppervlak.
• In principe is het ook mogelijk om beide processen te combineren voor de productie van perovskiet-zonnecellen.

Voor- en nadelen

In de studie analyseerden de auteurs de voor- en nadelen van beide methoden. De dominantie van de productie op basis van oplosmiddelen in onderzoek ligt tot nu toe in de ongecompliceerde verwerking ervan in laboratoria, wat zeer goede resultaten rechtvaardigt in termen van efficiëntie onder laboratoriumomstandigheden en de lage kosten. Daarnaast is er de mogelijkheid tot schaalbare roll-to-roll productie, dat wil zeggen het eindeloos scheiden tussen twee rollen, vergelijkbaar met het drukken van kranten.

Het vacuümgebaseerde productieproces brengt iets hogere investeringskosten met zich mee en loopt momenteel nog achter op het gebied van depositiesnelheid, dat wil zeggen productiedoorvoer, op basis van de processen die in het onderzoek worden gebruikt.

De auteurs wijzen echter op een verscheidenheid aan oplossingen en schatten in dat deze concurrerend is wanneer rekening wordt gehouden met reële parameters zoals elektriciteitskosten, productieopbrengst, materiaal, ontmantelings- of recyclingkosten.

Vooral de goede herhaalbaarheid van de depositie, de eenvoudige procesbesturing, de beschikbaarheid van industriële procesapparatuur en de eenvoudige opschaling van de depositie van de kleine zonneceloppervlakken van het laboratorium naar toepassingsrelevante productgebieden maken het proces zeer interessant voor commercialisering. 

“Productie op basis van vacuüm doet het dus beter dan zijn reputatie doet vermoeden”, zegt Tobias Abzieher (Swift Solar). Het is dan ook niet verwonderlijk dat de auteurs, in een voor het eerst gepubliceerd overzicht van commercialiseringsactiviteiten in de perovskiettechnologie, al een grote belangstelling van de industrie voor vacuümgebaseerde processen voor de productie van perovskiet-zonnecellen konden aantonen.

Laatste stappen

Om te zorgen dat vacuümgebaseerde processen hun schaaleffecten volledig benutten, moet de productiemethode volgens de onderzoekers toch verder worden verbeterd. Er moet onder andere verder onderzoek worden gedaan naar de kwaliteit van de scheiding om het rendement nog verder te verhogen. Daarnaast is het belangrijk om de scheidingssnelheid aanzienlijk te verhogen.