De real‑world levensvatbaarheid van perovskietzonnecellen vergroten met amidimium

De beste zonne‑technologie duurzaam maken

De meeste zonnepanelen zijn gebaseerd op twee technologieën: polysilicium, dat het grootste deel ervan uitmaakt, en dunne‑film cadmiumtelluride. Er is echter een derde manier om fotovoltaïsche systemen te maken, die een mineraal genaamd perovskiet gebruikt.

Dit bestaat uit calcium‑titanium‑oxide, en deze technologie heeft de afgelopen jaren enorme vooruitgang geboekt. Van laboratoriumprototypes met slechts 3,8% licht‑naar‑energie‑omzettingsrendement in 2009, bereikte 33,9% in 2024 voor een ontwerp van LONGi Green Energy Technology.

Echter hebben perovskiet‑zonnepanelen een groot probleem: duurzaamheid. De meeste perovskietzonnecellen gaan slechts enkele jaren mee. Dit sluit hun gebruik in commerciële toepassingen uit, omdat het de winstgevendheid van deze systemen ondermijnt, zelfs met hogere efficiëntie en lagere productiekosten.

Dus, zolang ze niet kunnen concurreren met de 2‑3 decennia duurzaamheid van polysilicium, zullen perovskieten gedoemd zijn tot niche‑toepassingen en laboratoriumprototypes, en zullen ze het grootste deel van het “nieuwe zonne‑tijdperk” dat al is aangebroken, missen.

Dit is waarom de aankondiging van een manier om de perovskietstabiliteit drie keer te verbeteren een grote gebeurtenis is. Het werd gedaan door onderzoekers van Northwestern University (VS), Griffith University (Australië) en de University of Toronto (Canada), die hun bevindingen publiceerden in het prestigieuze tijdschrift Science onder de titel “Amidiniëring van liganden voor chemische en veld‑effect passivering stabiliseert perovskietzonnecellen¹”.

Voordelen van perovskieten

De belangrijkste voordelen van perovskiet zijn de lage kosten en de mogelijkheid om zonnecellen te “printen”. Een belangrijke factor voor de lagere kosten is dat het bij kamertemperatuur kan worden geproduceerd, in tegenstelling tot silicium, dat honderden graden vereist.

Perovskietcellen zijn ook flexibel, waardoor nieuwe toepassingen zoals autodaken en drones mogelijk worden. Ze absorberen ook een groter deel van het zonlicht, wat leidt tot een hogere theoretische efficiëntie van tot 40%.

Titanium is bovendien een relatief overvloedig metaal, waardoor het een beter alternatief voor silicium is dan cadmiumtelluride. Echter, mogelijke lekkage van zware metalen, met name lood, is een zorg die ook moet worden aangepakt.

Bron: Research Gate

Het moet ook worden opgemerkt dat silicium‑perovskiet tandemcellen, zoals die ontwikkeld door LONGi, een optie zijn in plaats van uitsluitend perovskietsystemen.

Bescherming van perovskieten tegen degradatie

Typisch gebruiken perovskietzonnecellen een op ammonium gebaseerde coatinglaag om de efficiëntie te verbeteren. Hoewel effectief, degraderen ammonium‑gebaseerde lagen onder omgevingsstress, waaronder hitte en vocht. Dit komt doordat het ammoniummolecuul onder intense hitte en water neigt te ontbinden.

Bron: Frontiers

Dit is uiteraard verre van ideaal voor het gebruik van zonnepanelen in de praktijk, die moeten omgaan met regen en hete zomerdagen.

Hier vonden de onderzoekers van deze studie een oplossing, door een ander stikstof‑gebaseerd verbinding te gebruiken: amidinium. Amidinium is het ion dat wordt gevormd uit amidinen.

Bron: Wikipedia

Dit wijkt af van eerder onderzoek naar perovskieten, dat zich richtte op het verbeteren van de stabiliteit van de perovskieten zelf. In plaats daarvan probeert dit de beschermende lagen te verbeteren.

Radicale Verbetering

Deze nieuwe aanpak verbeterde niet alleen de weerstand van de coating bovenop de perovskietcellen, maar verhoogde ook de algehele duurzaamheid van het zonnepaneel.

“De nieuwe coating was 10 keer beter bestand tegen ontbinding vergeleken met conventionele op ammonium gebaseerde coatings. Nog beter: de op amidinium gecoate cellen verdrievoudigden ook de T₉₀-levensduur van de cel — de tijd die nodig is voordat de efficiëntie van een cel 90% van de oorspronkelijke waarde daalt onder zware omstandigheden.”
Bin Chen –  Onderzoeksassociate professor chemie aan Northwestern

Bouwen voort op eerdere innovatie

Dit is zeker niet de eerste doorbraak van dit onderzoeksteam.

Een ander team van een co‑auteur, Ted Sargent, ontwikkelde in 2022 een perovskietzonnecel die records brak voor energie‑efficiëntie en spanning.

In 2023 introduceerde zijn team een perovskietzonnecel met een omgekeerde structuur, die ook de energie‑efficiëntie verbeterde. Ze voegden ook vloeibare kristallen toe om de defecten in perovskietfilms te minimaliseren, wat leidde tot een betere apparaatprestaties.

Het moet ook worden opgemerkt dat deze studie niet alleen door academici werd uitgevoerd, maar werd ondersteund door zowel het private bedrijf First Solar (FSLR ), als publieke instellingen zoals het Department of Commerce, het National Institute of Standards and Technology en het U.S. Department of Energy.

Investeren in zonne‑energie

De productie van zonne‑energie groeit voortdurend met een dubbelcijferig tempo en zal een belangrijke motor zijn om de economie te decarboniseren. Het heeft echter nog een lange weg te gaan, aangezien het overgrote deel van onze wereldwijde elektriciteitsproductie, en nog meer totale energie, nog steeds afkomstig is van fossiele brandstoffen.

In de loop der jaren is het een sector geworden die de grootste bedrijven beloont, waarbij schaalvoordelen een cruciale factor zijn om winst te genereren in een zeer competitieve omgeving. Met uiteraard nieuwe technologieën als potentiële ontwrichter van gevestigde polysilicium‑paneelfabrikanten.

U kunt in zonne‑bedrijven investeren via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, het VK, en vele andere landen.

Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke zonne‑bedrijven, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals Global X Solar ETF (RAYS), Invesco Solar ETF (TAN), of Global X China Clean Energy ETF (2809.HK) die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de zonne‑ en schone‑energiemarkt.

U kunt ook ons artikel lezen over de “Top 10 zonne‑energie aandelen om in te investeren”.

Zonne‑bedrijf

First Solar is de grootste zonnepaneelfabrikant in de VS en in het hele westelijk halfrond, met productielocaties in de VS, Maleisië en Vietnam.

Het bedrijf maakt geen gebruik van de klassieke kristallijne siliciumtechnologie en 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 massaproductie worden vervaardigd. 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 bronnen die voorheen weinig nut hadden. Dunne‑film panelen kunnen ook een hoge recyclingratio hebben.

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 nominale capaciteit van 25 GW te bereiken tegen 2026, vanaf de huidige 11 GW.

Gezien de betrokkenheid bij het hier besproken onderzoek, is het bedrijf duidelijk ook geïnteresseerd in perovskiet, althans zodra deze panelen voldoende duurzaam zijn. Het merkte in zijn investeerderspresentatie op dat perovskiet een “ontwikkellijn moet hebben die klaar is om technologische monsters te produceren die productie‑achtige omstandigheden simuleren in Q4 2024” moet hebben.

First Solar heeft sinds de oprichting cumulatief $2 miljard aan R&D besteed.

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

Hoewel het zich tot nu toe voornamelijk richt op dunne‑film zonne‑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 toponderzoekers op dit gebied.

Studieverwijzing:

^{1. Yang, Y., et al. (2024). Amidiniëring van liganden voor chemische en veld‑effect passivering stabiliseert perovskietzonnecellen. Science, 386(898–902). https://doi.org/10.1126/science.adr2091}