Materialen die perovskieten worden genoemd, vertonen een sterk potentieel voor een nieuwe generatie zonnecellen, maar ze hadden moeite om grip te krijgen in een markt die wordt gedomineerd door op silicium gebaseerde zonnecellen. Nutsvoorzieningen, een onderzoek door onderzoekers van MIT en elders schetst een routekaart voor hoe deze veelbelovende technologie van het laboratorium naar een belangrijke plaats op de wereldwijde zonnemarkt zou kunnen gaan.

De "techno-economische" analyse toont aan dat door te beginnen met hoogwaardigere nichemarkten en geleidelijk uit te breiden, Fabrikanten van zonnepanelen zouden de zeer hoge initiële kapitaalkosten kunnen vermijden die nodig zouden zijn om panelen op basis van perovskiet vanaf het begin direct concurrerend te maken met silicium voor grootschalige installaties op utiliteitsschaal. In plaats van een onbetaalbare initiële investering te doen, van honderden miljoenen of zelfs miljarden dollars, een fabriek te bouwen voor productie op utiliteitsschaal, het team ontdekte dat het starten met meer gespecialiseerde toepassingen kan worden bereikt voor meer realistische initiële kapitaalinvesteringen in de orde van $ 40 miljoen.

De resultaten worden beschreven in een paper in het tijdschrift Joule door MIT-postdoc Ian Mathews, onderzoeker Marius Peters, hoogleraar werktuigbouwkunde Tonio Buonassisi, en vijf anderen aan het MIT, Wellesley-college, en Swift Solar Inc.

Zonnecellen op basis van perovskieten - een brede categorie verbindingen die worden gekenmerkt door een bepaalde rangschikking van hun moleculaire structuur - zouden dramatische verbeteringen in zonne-installaties kunnen opleveren. Hun samenstellende materialen zijn goedkoop, en ze kunnen worden vervaardigd in een roll-to-roll-proces, zoals het afdrukken van een krant, en gedrukt op lichtgewicht en flexibel rugmateriaal. Dit kan de kosten voor transport en installatie aanzienlijk verlagen, hoewel ze nog meer werk vergen om hun duurzaamheid te verbeteren. Andere veelbelovende nieuwe zonnecelmaterialen zijn ook in ontwikkeling in laboratoria over de hele wereld, maar niemand heeft nog zijn weg gevonden naar de markt.

"Er zijn in de loop der jaren veel nieuwe zonnecelmaterialen en bedrijven gelanceerd, " zegt Mathews, "en toch, ondanks dat, silicium blijft het dominante materiaal in de industrie en is dat al tientallen jaren."

Waarom is dat het geval? "Mensen hebben altijd gezegd dat een van de dingen die nieuwe technologieën tegenhoudt, is dat de kosten van het bouwen van grote fabrieken om deze systemen daadwerkelijk op schaal te produceren, gewoon te hoog zijn, ", zegt hij. "Het is moeilijk voor een startup om de zogenaamde 'vallei des doods' over te steken, ' om de tientallen miljoenen dollars bijeen te brengen die nodig zijn om de schaal te bereiken waarop deze technologie winstgevend kan zijn in de bredere zonne-energie-industrie."

Maar er zijn verschillende meer gespecialiseerde zonneceltoepassingen waarbij de speciale eigenschappen van op perovskiet gebaseerde zonnecellen, zoals hun lichte gewicht, flexibiliteit, en potentieel voor transparantie, een aanzienlijk voordeel zou opleveren, zegt Mathijs. Door in eerste instantie op deze markten te focussen, een startend zonnebedrijf zou geleidelijk kunnen opschalen, de winst van de premiumproducten benutten om de productiecapaciteiten in de loop van de tijd uit te breiden.

Het beschrijven van de literatuur over op perovskiet gebaseerde zonnecellen die in verschillende laboratoria worden ontwikkeld, hij zegt, "Ze claimen zeer lage kosten. Maar ze claimen het zodra je fabriek een bepaalde schaal bereikt. En ik dacht, we hebben dit eerder gezien - mensen beweren dat een nieuw fotovoltaïsch materiaal goedkoper zal zijn dan de rest en beter dan al de rest. Dat is geweldig, behalve dat we een plan moeten hebben over hoe we het materiaal en de technologie daadwerkelijk op schaal kunnen krijgen."

Als uitgangspunt, hij zegt, "We hebben de benadering gekozen die ik nog nooit iemand anders heb zien volgen:laten we de kosten om deze modules te produceren als een functie van schaal modelleren. Dus als je maar 10 mensen in een kleine fabriek hebt, voor hoeveel moet u uw zonnepanelen verkopen om winstgevend te zijn? En als je eenmaal schaal bereikt, hoe goedkoop wordt uw product?"

De analyse bevestigde dat een poging om rechtstreeks op de markt te komen voor zonne-energie op het dak of zonne-installaties op utiliteitsschaal, zeer grote kapitaalinvesteringen zou vergen, hij zegt. Maar "we hebben gekeken naar de prijzen die mensen zouden kunnen krijgen in het internet der dingen, of de markt voor in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche systemen. Mensen betalen in deze markten meestal een hogere prijs omdat ze meer een gespecialiseerd product zijn. Ze betalen iets meer als je product flexibel is of als de module in een gebouwschil past." Andere potentiële nichemarkten zijn micro-elektronica met eigen voeding.

Dergelijke toepassingen zouden de toegang tot de markt mogelijk maken zonder dat er enorme kapitaalinvesteringen nodig zijn. "Als je dat doet, het bedrag dat u in uw bedrijf moet investeren is veel, veel minder, in de orde van een paar miljoen dollar in plaats van tientallen of honderden miljoenen dollars, en dat stelt u in staat om sneller een winstgevend bedrijf te ontwikkelen, " hij zegt.

"Het is een manier voor hen om hun technologie te bewijzen, zowel technisch als door een product daadwerkelijk te bouwen en te verkopen en ervoor te zorgen dat het in het veld overleeft, " Mathews zegt, "en ook, gewoon om te bewijzen dat je tegen een bepaalde prijs kunt produceren."

Nu al, er zijn een handvol startende bedrijven die proberen perovskiet-zonnecellen op de markt te brengen, hij maakt duidelijk, hoewel geen van hen nog een echt product te koop heeft. De bedrijven hebben verschillende benaderingen gekozen, en sommigen lijken te beginnen met het soort stapsgewijze groeibenadering die in dit onderzoek wordt geschetst, hij zegt. "Waarschijnlijk is het bedrijf dat het meeste geld heeft opgehaald een bedrijf genaamd Oxford PV, en ze kijken naar tandemcellen, " waarin zowel silicium- als perovskietcellen zijn verwerkt om de algehele efficiëntie te verbeteren. Een ander bedrijf is een bedrijf dat is opgericht door Joel Jean Ph.D. '17 (die ook co-auteur is van dit artikel) en anderen, genaamd Swift Solar, die werkt aan flexibele perovskieten. En er is een bedrijf genaamd Saule Technologies, werken aan afdrukbare perovskieten.

Mathews zegt dat het soort techno-economische analyse dat het team in zijn onderzoek gebruikte, kan worden toegepast op een breed scala aan andere nieuwe energiegerelateerde technologieën, inclusief oplaadbare batterijen en andere opslagsystemen, of andere soorten nieuwe zonnecelmaterialen.

"Er zijn veel wetenschappelijke artikelen en academische studies die kijken naar hoeveel het zal kosten om een ​​technologie te produceren als deze eenmaal op schaal is, " zegt hij. "Maar heel weinig mensen kijken echt naar hoeveel het kost op heel kleine schaal, en wat zijn de factoren die van invloed zijn op schaalvoordelen? En ik denk dat dat voor veel technologieën kan, en het zou ons helpen versnellen hoe we innovaties van lab naar markt brengen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.