TNO, TU Eindhoven, imec en TU Delft, partners in Solliance, hebben hun krachten gebundeld om de conversie-efficiëntie van tandemzonnecellen verder te brengen dan de grenzen van de huidige commerciële fotovoltaïsche (PV) modules. Voor het eerst passeerden vier-terminale perovskiet/silicium tandemapparaten met een gecertificeerde topcel de barrière van 30%. Een dergelijk hoog rendement zorgt voor meer vermogen per vierkante meter en minder kosten per kWh. Het resultaat wordt gepresenteerd tijdens de 8e Wereldconferentie over fotovoltaïsche energieconversie (WCPEC-8) in Milaan en is bereikt door de opkomende perovskiet-zonnecel te combineren met conventionele siliciumzonneceltechnologieën. De perovskietcel, met transparante contacten en onderdeel van de tandemstack, is onafhankelijk gecertificeerd.

Bovendien zal het bereiken van een hoge vermogensdichtheid meer mogelijkheden creëren om deze zonnecellen te integreren in constructie- en bouwelementen, zodat meer bestaand oppervlak kan worden afgedekt met PV-modules. Het doorbreken van de 30%-grens is daarom een ​​grote stap in het versnellen van de energietransitie en het verbeteren van de energiezekerheid door de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen.

Het beste van twee werelden

Tandemapparaten kunnen hogere efficiënties bereiken dan zonnecellen met enkelvoudige junctie vanwege een beter gebruik van het zonnespectrum. De momenteel opkomende tandems combineren commerciële siliciumtechnologie voor het onderste apparaat met perovskiettechnologie:de laatste met een zeer efficiënte omzetting van ultraviolet en zichtbaar licht en uitstekende transparantie naar bijna-infraroodlicht.

Bij tandemapparaten met vier terminals (4T) werken de bovenste en onderste cellen onafhankelijk van elkaar, wat het mogelijk maakt om verschillende onderste cellen in dit soort apparaten toe te passen. Zowel commerciële PERC-technologie als hoogwaardige technologieën zoals heterojunctie of TOPCon of dunnefilmtechnologie zoals CIGS kunnen worden geïmplementeerd in een 4T tandemapparaat met nauwelijks aanpassingen aan de zonnecellen. Bovendien maakt de architectuur met vier terminals het eenvoudig om bifaciale tandems te implementeren om de energieopbrengst verder te verhogen.

Onderzoekers uit Nederland en België hebben met succes de efficiëntie van de semi-transparante perovskietcellen verbeterd tot 19,7% met een oppervlakte van 3x3 mm2 zoals gecertificeerd door ESTI (Italië). "Dit type zonnecel heeft een zeer transparant achtercontact waardoor meer dan 93% van het nabij-infraroodlicht het onderste apparaat kan bereiken. Deze prestatie werd bereikt door alle lagen van de semi-transparante perovskiet-zonnecellen te optimaliseren met behulp van geavanceerde optische en elektrische simulaties als leidraad voor het experimentele werk in het lab”, zegt dr. Mehrdad Najafi van TNO.

"Het siliciumapparaat is een 20x20 mm2 brede heterojunctie-zonnecel met geoptimaliseerde oppervlaktepassivering, transparante geleidende oxiden en Cu-geplateerde frontcontacten voor ultramoderne dragerextractie", zegt Yifeng Zhao, Ph.D. student aan de TU Delft, wiens resultaten onlangs zijn gepubliceerd in Progress in Photovoltaics:Research and Applications . Het siliciumapparaat dat optisch onder de perovskiet is gestapeld, draagt ​​met 10,4% efficiëntiepunten bij aan de totale conversie van zonne-energie.

Gecombineerd is 30,1% de conversie-efficiëntie van deze non-area-matched 4T tandem-apparaten die onafhankelijk werken. De beste efficiëntie ter wereld wordt gemeten volgens algemeen aanvaarde procedures.

Toekomst van vier terminal tandem PV-modules

Dit is niet alles:de combinatie van deze zeer transparante perovskietcel met andere op silicium gebaseerde technologieën, zoals back-contact (metal wrap through en interdigitated back-contactcellen) en TOPCon-zonnecellen, heeft ook geleid tot conversie-efficiënties van bijna 30%. Dit toont het potentieel aan van zeer transparante perovskiet-zonnecellen en hun flexibiliteit om te worden gecombineerd met reeds gecommercialiseerde technologieën.

Deze 's werelds beste efficiëntie die is behaald met een groot aantal bestaande technologieën is een nieuwe mijlpaal in de richting van industriële implementatie. "Nu kennen we de ingrediënten en zijn we in staat om de lagen te beheersen die nodig zijn om een ​​efficiëntie van meer dan 30% te bereiken. Eenmaal gecombineerd met de schaalbaarheidsexpertise en kennis die de afgelopen jaren is verzameld om materiaal en processen naar een groot gebied te brengen, kunnen we ons concentreren met onze industriële partners om deze technologie met een efficiëntie van meer dan 30% in massaproductie te brengen", zegt prof. Gianluca Coletti, programmamanager Tandem PV-technologie en -toepassing bij TNO. + Verder verkennen

Het opnieuw rangschikken van de lagen in zonnecelmodules kan de efficiëntie helpen verbeteren