AI bevordert dunne‑filmzonne‑energie door perovskietstabiliteit te ontgrendelen

Van silicium naar dunne films

In ons artikel “Het Zonnene Tijdperk – Een heldere toekomst voor de mensheid”, legden we uit hoe de opkomst van zonne‑energie een revolutie in onze energievoorziening inluidt, althans op de lange termijn.

Tot nu toe wordt ongeveer 90 % van de zonnepanelen vervaardigd met op silicium gebaseerde technologie, waarbij de overgrote meerderheid polysilicon‑ontwerpen gebruikt, die de oudere monosilicon‑ontwerpen hebben vervangen (monokristallijn silicium is duurzamer, maar minder kostenefficiënt).

Bron: EIA

Een alternatief zijn perovskieten, ook vaak dunne‑filmzonnecellen genoemd, die de energie van de zon opvangen dankzij de unieke kristallijne structuur van perovskiet. (Een andere vorm van dunne‑filmzonne‑technologie maakt gebruik van cadmium‑telluride dunne‑filmcellen.)

De term dunne film komt van de veel dunnere laag materiaal die nodig is om elektriciteit te produceren, waardoor de zonnecellen flexibeler en lichter worden.

Natuurlijk voorkomende perovskieten bestaan uit calcium‑ en titaanoxide (CaTiO3), maar andere mineralen kunnen dezelfde kristallijne structuur hebben met een chemische formule volgens de “ABX3” regel.

Hoewel ze een zeer hoog rendement in energieomzetting hebben, zijn perovskieten minder duurzaam dan siliciumzonnecellen, wat hun praktische gebruik en commerciële adoptie heeft belemmerd.

Onderzoekers van de Chalmers University of Technology (Zweden) en de University of Birmingham gebruikten machine learning om het ontbrekende deel van de theoretische kennis over de kristallijne structuur van perovskiet te verduidelijken, waardoor de weg wordt geopend om ze duurzamer te maken en mogelijk de volgende generatie commerciële fotovoltaïsche technologie.

Zij publiceerden hun resultaten in de Journal of the American Chemical Society¹, onder de titel “Onthulling van de lage‑temperatuur fase van FAPbI3 met behulp van een machine‑geleerde potentiaal”.

Stabiliteit van Formamidinium Perovskiet

De onderzoekers werkten met een materiaal genaamd formamidinium loodjodide (FAPbI3). Het wordt beschouwd als een van de best presterende materialen in de halide‑perovskietgroep vanwege de veelbelovende eigenschappen voor toekomstige zonneceltechnologieën.

Echter, het materiaal is over het algemeen niet stabiel genoeg onder zonlicht voor commerciële toepassing, en een deel van de reden is dat de lage‑temperatuur fase van formamidinium loodjodide tot nu toe slecht begrepen was.

“De lage‑temperatuur fase van dit materiaal is lange tijd een ontbrekend puzzelstukje in het onderzoek geweest en we hebben nu een fundamentele vraag over de structuur van deze fase beantwoord.”

Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Geavanceerde AI-modellering

Experimentele observaties waren tot nu toe niet voldoende om de kristallijne structuur van FAPbI3 te begrijpen. Traditionele computersimulaties, die proberen het gedrag van atomen één voor één te berekenen en simuleren, vereisen krachtige supercomputers en lange simulatietijden.

In plaats daarvan gebruikten de onderzoekers hun expertise in machine learning om de efficiëntie van computersimulaties drastisch te verbeteren.

“Door onze standaardmethoden te combineren met machine learning, kunnen we nu simulaties uitvoeren die duizenden keren langer duren dan voorheen.

En onze modellen kunnen nu miljoenen atomen bevatten in plaats van honderden, waardoor ze dichter bij de werkelijkheid komen,”

Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Kristal Faseovergangen in FAPbI3

Afhankelijk van de temperatuur kan FAPbI3 verschillende kristalstructuren aannemen: kubisch bij 300 K (27 °C / 80 °F), tetragonaal onder 285 K (12 °C / 53 °F) en nog onbekend bij 140 K (‑133 °C / ‑207 °F).

Bron: Journal of the American Chemical Society

Ze ontdekten dat hun simulatie voorspelde dat het materiaal in een semi‑stabiele toestand kan worden gebracht wanneer het wordt gekoeld.

Vervolgens testten ze dit in de praktijk bij -200 °C / -328 °F, om te bevestigen dat de simulatie het gedrag van perovskietkristallen nauwkeurig voorspelt, vooral onder deze nog niet bewezen omstandigheden.

Het model leverde bijna perfecte voorspellingen voor de beweging van koolstofatomen en een voldoende nauwkeurige voorspelling voor stikstofatomen.

Bron: Journal of the American Chemical Society

Toepassingen van AI‑aangedreven Perovskietonderzoek

Dit model is het eerste dat met goede nauwkeurigheid alle kristalstructuren van dit perovskietmateriaal kan voorspellen. Het vereist bovendien veel minder rekenkracht, waardoor het bruikbaar is voor vrijwel elk onderzoeksteam wereldwijd. Het kan daardoor de voortgang van deze technologie drastisch versnellen.

Kristalstructuur en hun stabiliteit vormen de hoekstenen om perovskiet duurzamer te maken, en zijn tevens cruciaal voor commerciële haalbaarheid.

“We hopen dat de inzichten die we uit de simulaties hebben verkregen, kunnen bijdragen aan hoe complexe halide‑perovskietmaterialen in de toekomst gemodelleerd en geanalyseerd worden,”

Erik Fransson – Chalmers University Of Technology

Dunne‑filmzonne‑energie, die flexibeler is, kan in veel meer contexten worden ingezet dan traditionele zonnepanelen. Ze zijn bovendien veel lichter.

Als perovskiet commercieel kan worden gebruikt, zouden we het kunnen toepassen op het oppervlak van gebouwen, auto’s, daken, mobiele telefoons, enz., waardoor er overvloedige energie beschikbaar is zonder dat er land gereserveerd moet worden voor grote zonne‑farms.

Amidimium lijkt de juiste richting voor deze technologie, met andere rapporten die ook aangeven dat een beschermende coating van amidimium de levensduur van dunne‑filmzonnecellen radicaal kan verlengen. Alumina‑nanodeeltjes zouden de levensduur van perovskietzonnecellen ook met een factor 10 kunnen vergroten.

Waarschijnlijk zal een combinatie van verschillende van deze technologieën ontstaan om een ultra‑duurzame dunne‑film perovskietzonnecel te creëren.

Veeg om te scrollen →

Investeren in Zonne‑innovatie

First Solar is de grootste fabrikant van zonnepanelen in de VS en in het gehele westelijk halfrond, met productielocaties in de VS, Maleisië en Vietnam.

Het bedrijf maakt geen gebruik van de klassieke kristallijne siliciumtechnologie, maar gebruikt in plaats daarvan zijn eigen dunne‑film fotovoltaïsche technologie.

Gebaseerd op cadmium‑telluride zijn ze efficiënter, worden ze tegen lagere kosten geproduceerd en kunnen ze gemakkelijk in massa worden vervaardigd.

Bron: Department Of Energy

Cadmium‑telluride dunne‑film zonnepanelen zijn bovendien duurzamer en behouden 89 % van de oorspronkelijke prestaties na 30 jaar.

Bron: First Solar

Cadmium en telluride zijn bijproducten van de winning van andere metalen, wat betekent dat First Solar-producten een minimale impact hebben, doordat ze gebruikmaken van hulpbronnen die voorheen weinig nut hadden. Dunne‑film panelen kunnen bovendien een hoge recycle‑graad hebben.

De focus van het bedrijf op dunne‑film halfgeleidertechnologie stelt het in staat volledig verticaal geïntegreerd te zijn, waardoor het radicaal verschilt van de op silicium gebaseerde zonnepaneelindustrie.

In plaats van meerdere fabrieken, waarbij elke actor gespecialiseerd is in één segment zoals polysiliciumzuivering, en waarbij het vele dagen duurt om een zonnecel te produceren, kan First Solar van grondstoffen tot eindproduct gaan in minder dan 4 uur.

Bron: First Solar

First Solar’s technologische voorsprong, gecombineerd met zijn geografische ligging, maakt het de waarschijnlijke begunstigde van de groeiende drang van westerse landen om hun panelen buiten China te betrekken.

Het bedrijf schaalt zijn productiecapaciteit snel op, met als doel een naamplaatcapaciteit van 25 GW te bereiken tegen 2026, vanaf de huidige 11 GW.

First Solar heeft sinds de oprichting cumulatief $2 miljard aan R&D besteed. R&D‑teams bij First Solar voorspellen een dunne‑film CdTe met 25 % celrendement en trajecten naar 28 % celrendement tegen 2030.

Gelet op de betrokkenheid bij het hier besproken onderzoek, is het bedrijf duidelijk geïnteresseerd in perovskiet, althans zodra deze panelen voldoende duurzaam zijn.

Op de lange termijn wil First Solar zijn ervaring met cadmium‑telluride dunne film integreren met perovskiettechnologie, waardoor de resulterende zonnepanelen nog efficiënter worden.

Bron: First Solar

In het algemeen is First Solar een technologische leider die zal profiteren van tarieven op Chinese importen, iets dat waarschijnlijk het negatieve effect op de zonne‑industrie door de herverkiezing van Trump zal compenseren.

Hoewel het zich voorlopig voornamelijk richt op dunne‑filmzonne‑energie met cadmium‑telluride, kan haar expertise in niet‑silicium zonnepaneelfabricage haar een aanzienlijk voorsprong geven met perovskiet, vooral gezien de diepe banden met enkele van de top‑onderzoekers op dit gebied.

(U kunt ook meer informatie over First Solar in het investeringsrapport gewijd aan het bedrijf lezen)

Laatste First Solar (FSLR) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Bestudeerde Studie

^{1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. Onthulling van de lage‑temperatuur fase van FAPbI3 met behulp van een machine‑geleerde potentiaal. Journal of the American Chemical Society. 14 augustus 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265}