Duurzame alumina‑nanodeeltjes verlengen de levensduur van perovskietzonnecellen 10x

Een team van innovatieve onderzoekers heeft zojuist een studie gepubliceerd die aantoont hoe alumina‑nanodeeltjes de levensduur van zonnepanelen tienvoudig kunnen verlengen. Terwijl de wereldgemeenschap haar doel nadert om in de komende decennia netto‑nul koolstofuitstoot te bereiken, is er een sterke drang om hernieuwbare energie op de markt te krijgen. Hernieuwbare energieopties zoals windturbines en zonnepanelen bieden een betrouwbare, schone energieoplossing. Deze apparaten zijn echter niet perfect en hun prestaties nemen na verloop van tijd af.

Typen zonnepanelen

Zonnepaneeltechnologie blijft zich ontwikkelen. Tegenwoordig zijn er vier hoofdtypen zonnepanelen op de markt: PERC, monokristallijn, polykristallijn en dunnefilm‑panelen. Deze opties hebben hun voor- en nadelen wat betreft efficiëntie, levensduur, grootte en duurzaamheid.

PERC (Passivated Emitter and Rear Cell)

PERC‑zonnepanelen integreren een dubbellagend ontwerp om de efficiëntie te maximaliseren. Opmerkelijk is dat dit type zonnepaneel met deze opstelling een efficiëntie van +20 % kan behalen. Het biedt een gemiddelde duurzaamheid en levensduur. Het is echter de duurste optie op de lijst, waardoor het voor de meeste huiseigenaren niet ideaal is.

Monokristallijn

Monokristallijne panelen zijn een andere dure optie die een efficiëntie van 20 % oplevert. Dit paneel maakt gebruik van siliciumkristal als basismateriaal. Deze opstelling biedt de langste levensduur van de vier opties, maar verhoogt ook de totale kosten van deze panelen.

Bron – ACS

Polykristallijn

Polykristallijne panelen worden vervaardigd door siliciumfragmenten samen te smelten. Deze benadering verlaagt de productiekosten, waardoor deze optie betaalbaarder wordt. Deze eenheden zijn echter groter dan hun tegenhangers en minder efficiënt. In de meeste gevallen behalen ze gemiddeld 15 % efficiëntie.

Dunnefilm‑panelen

Dunnefilm‑panelen bieden de laagste efficiëntie, maar wel de meeste flexibiliteit en betaalbaarheid. Dit zijn de panelen die je ziet op campers en andere plekken waar ruimte beperkt is. Dunnefilm‑panelen kunnen van verschillende materialen worden gemaakt. Twee veelvoorkomende opties zijn CdTe (cadmiumtelluride) en a‑Si (amorfe silicium).

Perovskietzonnecellen (PSC’s)

Perovskietzonnecellen zijn het meest geavanceerde type zonnepaneel dat tegenwoordig wordt gebruikt. Deze op silicium gebaseerde panelen leveren hoge efficiëntie vanuit een lichtgewicht, compact formaat. Om dit te bereiken, integreren ze zelfgeassembleerde monolagen (SAM’s) om de prestaties te verbeteren zonder de prijzen te verhogen.

Problemen met PSC’s

PSC’s hebben nog steeds veel nadelen. Ten eerste lijden ze, net als andere paneelopties, aan joodlekkage. De vorming van moleculair jood treedt na verloop van tijd op door chemische reacties binnen deze materialen, waardoor de degradatieprocessen worden versneld en de prestaties afnemen.

Studie naar alumina‑nanodeeltjes

Door het gebrek aan inzicht in de invloed van moleculaire modificatoren op de nanoschaal elektrische en elektronische eigenschappen van de perovskiet en de stabiliteit van het apparaat te erkennen, hebben ingenieurs van de University of Surrey een nieuwe methode voorgesteld om de levensduur en prestaties van deze apparaten te verbeteren. Het rapport “Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer“¹ gepubliceerd in EES Solar onthult de interne werking van deze materialen tijdens het degradatieproces, waardoor ingenieurs beter inzicht krijgen in oppervlakte‑modificatoren en hoe deze kunnen worden gebruikt om toekomstige apparaten te verbeteren. Als onderdeel van de studie begon het team met het testen van de duurzaamheid van de belangrijkste soorten zonnepanelen ten opzichte van elkaar.

PFN–Br

Dit polymeer‑elektrolyt wordt vaak gebruikt in PSC’s. Het biedt betrouwbare prestaties en een gemiddelde levensduur. Het team besloot dit materiaal te gebruiken omdat het wordt beschouwd als het meest geavanceerde op de huidige markt.

Alumina (Al₂O₃) nanodeeltjes

De ingenieurs ontwikkelden alumina (Al₂O₃)‑nanodeeltjes als onderdeel van hun onderzoek. Deze kleine deeltjes zijn ontworpen om jood dat na verloop van tijd vrijkomt in het zonnepaneel te vangen. Het doel was om te voorkomen dat jood in de rest van de cel ontsnapt en de prestaties degradeert.

2D Perovskites

Om de taak te volbrengen, creëerden de ingenieurs een 2D‑perovskietbarrière tegen vocht. Deze barrière voorkwam dat externe materialen het paneel binnendrongen en degradatie veroorzaakten. Deze strategie verhoogde de betrouwbaarheid en duurzaamheid van het paneel.

Alumina Nanodeeltjes Test

Om hun theorie te testen, moesten de ingenieurs de panelen onder realistische omstandigheden plaatsen. Als onderdeel van de testfase creëerde het team zware hitte‑ en vochtscenario’s. De panelen werden vervolgens in deze omgevingen geplaatst en getest. Met behulp van röntgen‑fotoelektronenspectroscopie (XPS) volgde het team zorgvuldig de voortgang van de afbrekende cellen onder stressvolle omstandigheden.

Kelvin Probe Force Microscopy

Daarna gebruikten de ingenieurs een Kelvin Probe Force‑microscoop om de invloed van de modificatoren op het oppervlak en de elektronische homogeniteit van verse en gedegradeerde monsters te monitoren. De KPF‑microscoop werd ingezet om de oppervlaktelijke elektronische homogeniteit van perovskietfilms te analyseren. Dit hielp onderzoekers te begrijpen hoe alumina‑nanodeeltjes bijdragen aan verbeterde stabiliteit en verminderde degradatie, in plaats van hun werking direct te observeren.

Stabiliteitstesten

Stabiliteitstesten omvatten het onderzoeken hoe de ingekapselde vochtbarrièrelag onder intense omstandigheden standhield. De apparaten werden periodiek getest na elke blootstellingscyclus. Deze strategie maakte het voor wetenschappers eenvoudiger om directe vergelijkingen tussen de cellen te maken.

Resultaten van de alumina‑nanodeeltjes test

De testresultaten tonen veelbelovend potentieel voor deze technologie. Ten eerste produceerden de met alumina‑nanodeeltjes gebouwde cellen meer energie en konden ze lichter worden gemaakt. Deze apparaten toonden hoge prestaties met minimale degradatie van de energieproductie gedurende 1.530 uur testen.

Specifiek toonden de met nanodeeltjes doordrenkte eenheden een tien keer langere levensduur dan hun voorgangers. De ingenieurs ontdekten dat de Al₂O₃‑nanodeeltjes bijdroegen aan een meer uniforme perovskietstructuur. Deze verbeterde architectuur leverde minder defecten op en versterkte de elektrische connectiviteit.

Indrukwekkend creëerden de nanodeeltjes een 2D‑beschermende coating die vocht buiten de eenheden hield. Tests toonden een lage waterdoorlatingsgraad van ongeveer 4 × 10⁻³ g per m² per dag. Hierdoor zijn de nieuwe eenheden beter geschikt voor ongunstige weersomstandigheden en permanente installaties.

Voordelen van alumina‑nanodeeltjes

Er is een lange lijst met voordelen die alumina‑nanodeeltjes een verstandige vervanging voor andere opties maken. Ten eerste leveren ze hoge efficiëntie vanuit een klein formaat. Voor locaties met beperkte ruimte, zoals stedelijke daken, halen deze panelen meer rendement.

Langere levensduur

Het toevoegen van zonnepanelen aan uw huis of bedrijf is niet goedkoop. Het is gebruikelijk dat een systeem meer dan $50.000 kost. Elke technologie die de levensduur van deze apparaten kan verlengen en de kosten kan verlagen, zal naar verwachting snel worden geadopteerd op de markt.

Goedkoper te produceren

Een ander belangrijk voordeel van het maken van alumina‑nanodeeltjespanelen is dat ze minder kosten om te produceren, gezien hun potentiële verlenging van de levensduur. Naarmate zonnepanelen geavanceerder worden, is de trend dat nieuwere versies aanzienlijk duurder zijn dan hun voorgangers. Deze nieuwste wetenschappelijke doorbraak kan die trend omkeren en fabrikanten in staat stellen betere producten tegen lagere kosten aan te bieden.

Onderzoekers van alumina‑nanodeeltjes

De studie naar alumina‑nanodeeltjes werd gepresenteerd door een team van ingenieurs van de University of Surrey. Het vermeldt W. Hashini K. Perera als hoofdauteur, samen met een team van medewerkers van het National Physical Laboratory en de University of Sheffield. Nu streeft het team ernaar hun onderzoek naar het verbeteren van zonnepanelen voort te zetten, met als doel de technologie voldoende te verfijnen om binnen 2‑5 jaar commerciële producten te produceren.

Bedrijven die de zonnepaneelmarkt leiden

De race naar schone energie heeft geleid tot de opkomst van verschillende opmerkelijke zonnepaneelfabrikanten en marktspelers. Van degenen die nieuwe technologie ontwikkelen tot de arbeiders die de panelen installeren, blijft de sector groeien. Hier is een bedrijf dat gepositioneerd is om elk belangrijk doorbraak in zonne‑technologie te benutten en de rendementen te verhogen.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) betreed de markt in 1999 met als doel betrouwbare zonnestelsels aan de wereldmarkt te leveren. Opmerkelijk is dat het bedrijf werd hernoemd van Solar Cells als onderdeel van de verschuiving van het bedrijf naar fotovoltaïsche cellen (PV). Momenteel is het bedrijf gevestigd in Tempe, Arizona, en biedt het een breed scala aan zonne‑energiesystemen.

Opmerkelijk is dat First Solar de enige grote Amerikaanse leverancier van zonnestelsels is die geen Chinese productie gebruikt. Het bedrijf maakt zijn dunnefilm‑cadmiumtelluride (CdTe) panelen in de VS. Bovendien was First Solar een van de eerste bedrijven die betrouwbare cadmiumtelluride (CdTe) zonnemodules op de markt brachten.

Degenen die blootstelling aan de zonne‑sector zoeken, moeten meer onderzoek doen naar First Solar. Het bedrijf heeft een goede reputatie. Bovendien zou haar marktpositie het mogelijk maken om nieuwe technologieën zoals alumina‑nanodeeltjes te introduceren om de prestaties van haar producten te verbeteren. Daarom wordt First Solar door velen beschouwd als een “Strong Buy”.

Laatste nieuws over First Solar Inc.

Alumina‑nanodeeltjes maken zonnepanelen veerkrachtiger

De noodzaak om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen heeft het afgelopen decennium geleid tot een toename van de installatie van zonnepanelen. Dit nieuwste onderzoek kan de adoptie van zonnestelsels verder bevorderen door kosten te verlagen en de prestaties en levensduur te verbeteren. Daarom verdient dit team lof voor het openen van de deur naar toekomstige innovaties.

Leer meer over andere Duurzame Energie Nieuws.

Gerefereerde studies:

^{1. Perera, W. H. K., Woodgate, T. J., Kim, D. K., Kilbride, R. C., Masteghin, M. G., Smith, C. T. G., Hinder, S. J., Wood, S., Jayawardena, K. D. G. I., & Silva, S. R. P. (2025). Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}