Paul van Gerven
16 oktober

Het rendement van perovskietzonnecellen steeg in korte tijd spectaculair, maar hun levensduur was aanvankelijk abominabel en hun produceerbaarheid onbewezen. Zijn deze tekortkomingen inmiddels opgelost?

Een belangrijke natuurwetenschappelijke ontdekking leidt bijna altijd tot overspannen verwachtingen. Hoeveel potentieel ook, de geschiedenis leert dat de weg naar succesvolle commerciële toepassing vol obstakels ligt. Iets maken in een laboratorium is nu eenmaal iets heel anders dan dag in dag uit efficiënt en betrouwbaar produceren.

Enige scepsis was dan ook op zijn plaats toen wetenschappers enkele jaren geleden de loftrompet over de perovskietzonnecel begonnen te steken. Zeker, in betrekkelijk korte tijd vloog het rendement van deze in potentie goedkoop te produceren pv-technologie omhoog, maar deze zonnecellen waren bepaald niet stabiel. Ook was nog niet duidelijk hoe resultaten in het lab zich zouden vertalen naar massageproduceerde cellen.

Maar eerlijk is eerlijk, perovskiet-pv lijkt zijn beloften waar te gaan maken. Al is het nog geen massamarkt, slechts weinigen betwijfelen dat perovskieten de solarmarkt gaan verrijken. Tijd om de stand van zaken op een rij te zetten.

Efficiëntie

De perovskiethausse begon in 2012 toen Henry Snaith en collega’s van de University of Oxford zich realiseerden dat perovskieten geen mesoporeuze drager als titaandioxide nodig hebben. Hun eerste poging met een dunne film op een vast substraat leverde direct een zonnecel met een rendement van bijna tien procent op, vergelijkbaar met de beste organische zonnecellen waar toen al vele jaren onderzoek in zat.

Drie jaar later, in 2015, was die tien procent al ruimschoots verdubbeld naar 21 procent, waarmee het territorium van commerciële silicium zonnecellen was betreden. En inmiddels staat het researchrecord met 23,3 procent op gelijke voet met de veel oudere dunnefilmtechnologieën CdTe en cigs.

Volgens Oxford PV kan het echter nog veel en veel hoger. Dit Britse bedrijf mede-opgericht door Snaith heeft onlangs subsidie gekregen om naar 37 procent toe te werken. Dit betreft echter multi-junction-technologie, in tegenstelling tot de eerder genoemde waardes die betrekking hebben op zonnecellen met één actieve laag. Omdat de bandovergang van perovskieten kan worden getuned, zijn ze erg geschikt voor multi-junction.

Stabiliteit

De eerste generatie perovskietcellen verloor in gebruik snel rendement. Aanvankelijk werd hun levensduur geteld in uren, later in dagen of weken, maar hoe dan ging de degradatie veel te rap om commercieel te worden toegepast. Onderzoek wees uit dat de instabiliteit geen eenduidige oorzaak kent. Onder meer de gevoeligheid voor water en zuurstof speelt mee, terwijl (uv-)licht en opwarming voor ongewenste structuurveranderingen in het materiaal kunnen zorgen.

Aanzienlijke winst is geboekt door verontreinigingen te elimineren en te sleutelen aan de samenstelling van het perovskiet. Lood blijft het meestgebruikte kation, maar de aard en verhouding van de anionen (organisch en halogeen) blijkt grote invloed uit te oefenen op de stabiliteit van de perovskietkristallen. Ook toevoegingen blijken robuustere pervoskieten op te kunnen leveren.

Een andere invalshoek is betere bescherming tegen invloeden van buitenaf. Zo rapporteerden pv-alliantie Solliance en de TU Eindhoven onlangs een dramatische verhoging van de levensduur door een beschermend oxidelaagje op de cel aan te brengen.

In hoeverre de stabiliteit van perovskietcellen nog een obstakel is voor commerciële toepassing is moeilijk te zeggen. Er zijn nog geen resultaten van langdurige testen in veld openbaar, terwijl versnelde-testprocedures bij hogere temperatuur nog niet zijn gestandaardiseerd. De laatste lijken echter te suggereren dat perovskiet-pv inmiddels voldoende robuust is.

Productie

Wereldwijd zo’n tien bedrijven werken aan perovskietproducten, maar slechts één heeft een concrete planning geopenbaard om perovskiet-pv op de markt te brengen: Oxford PV, dat in 2019 een silicium-perovskiet tandemzonnecel wil lanceren. Zonnecellen met alléén perovskieten laten waarschijnlijk nog wat langer op zich wachten. Ook een Nederlands bedrijf doet mee aan die race: Solarge, een spinoff van Solliance, werkt aan perovskiet halffabrikaten voor building-integrated-pv (bipv). Ook een andere Europese startup, het Poolse Saule Technologies, mikt op die markt.