Europa’s plan B voor zonne-energie

Beeld: De huidige fotovoltaïsche applicaties naderen hun theoretische limieten qua efficiëntie - © Andreas Gucklhorn (Unsplash)

Om de energietransitie tegen 2050 te volbrengen, is er wereldwijd meer dan een half miljoen vierkante kilometer extra oppervlakte aan zonne-energie nodig, of ongeveer de oppervlakte van Spanje. Of tenminste, als we verder rekenen op de huidige fotovoltaïsche applicaties die hun theoretische limieten naderen. De volgende stap? Dunnefilmtandemzonnecellen. Die zijn efficiënter, maar zijn ook duurzamer vergeleken met de huidige siliciumpanelen, vooral wanneer geproduceerd in Europa.

Een nieuwe dageraad voor zonne-energie

De huidige zonnepanelen op de markt, voornamelijk gemaakt van silicium, bereiken een efficiëntie van ongeveer 25%. Dit betekent dat een kwart van het beschikbare zonlicht daadwerkelijk wordt omgezet in elektriciteit.

Bovendien maakt hun massaproductie, voornamelijk in lagelonenlanden in Azië, ze economisch aantrekkelijk. Hierdoor worden ze massaal als duurzame energie-opwekker ingezet. Omdat de huidige zonnecellen meestal worden geproduceerd op glazen ondergrond – en dus rigide zijn – kunnen ze alleen op vlakke oppervlakten worden geplaatst. Ideaal dus voor daken, gevels of in zonnevelden. Dat laatste wekt echter kritiek, met in Nederland zelfs een verbod op het plaatsen van zonne-energie op landbouw- en natuurgronden, gezien de schaarste ervan.

Als we blijven gebruik maken van de huidige technologieën, dan zullen we volgens recente schattingen tegen 2050 maar liefst zeshonderdduizend vierkante kilometer extra land nodig hebben voor zonne-energieproductie – of ook de totale oppervlakte van Spanje. De zoektocht om zo min mogelijk extra, vaak kostbare, ruimte in te nemen en tegelijkertijd voldoende te verduurzamen, gaat dus verder.

Materiaalcombinaties voor maximale efficiëntie

Wat als we de efficiëntie van zonnecellen verder kunnen verbeteren? Met andere woorden, wat als we meer zonlicht kunnen benutten en dus minder ruimte nodig hebben voor dezelfde hoeveelheid energieopwekking? De theoretische bovengrens voor de optimale werking van een zonnecel bestaande uit één enkel materiaal bedraagt 30 procent. Maar door materialen te combineren zullen we hogere rendementen kunnen bereiken.

De oplossing schuilt dus in tandemzonnecellen. Deze bestaan uit twee of meer lagen van verschillende materialen, elk ontworpen om een ander deel van het zonnespectrum te absorberen. Door de combinatie van een boven- en onderzonnecel kunnen we theoretisch gezien een efficiëntie van 60% bereiken voor energieomzetting. De eerste commerciële opties zullen waarschijnlijk rond een efficiëntie van 30-35% schommelen.

Een veelbelovende materiaalcombinatie voor tandemcellen is die van perovskiet en silicium. Met perovskiet, een veelbelovend materiaal vanwege zijn aantrekkelijke chemische eigenschappen, hebben we de laatste jaren indrukwekkende vooruitgang geboekt op het gebied van stabiliteit en opschaling. Maar bij deze combinatie zullen de beperkingen van silicium nog steeds gelden: alleen vlakke oppervlakken lenen zich voor de plaatsing van dit soort tandemzonnecellen.

Perovskiet module ontwikkeld door imec in EnergyVille

Onzichtbare opwekking van zonne-energie

Efficiënter zou zijn om bijvoorbeeld bestaande bouwmaterialen te voorzien van zonnecellen. Op die manier creëren we bijna onzichtbare zonne-energieopwekking, zonder kostbare ruimte op te geven. Deze zonnecellen vereisen echter een geheel nieuwe aanpak voor hun fabricage, gezien ze niet langer op bestaande vlakke oppervlakken worden geplaatst, maar veel flexibeler van aard moeten zijn.

Zonnecellen op basis van dunnefilmmateriaal, lenen zich uitstekend voor deze toepassing. Bij dunnefilmzonnecellen wordt een flinterdun laagje fotovoltaïsch materiaal geplaatst op diverse substraten, zoals flexibele kunststof of lichtgewicht metalen. Maar de technologie staat nog in zijn kinderschoenen. Enfoil en Soltech, beide spin-offs van imec-onderzoek binnen EnergyVille, hebben al aangetoond dat integratie van zonnecellen in voertuigen of gebouwen met dunnefilmmateriaal mogelijk is.

Het integreren van bijvoorbeeld een zonnedak in een elektrisch voertuig wordt pas echt interessant wanneer de efficiëntie hoog genoeg is om de batterij van de wagen te ontlasten. Bij gebouwintegratie geldt uiteraard ook: hoe hoger de efficiëntie, hoe minder afhankelijk van het net, hoe beter. Waarom zouden we dan niet twee dunnefilm materialen combineren op dezelfde oppervlakte, en zo de energie-omzetting verhogen? Zulke combinaties bieden niet alleen een hogere efficiëntie, maar behouden ook hun flexibiliteit en lichtheid, waardoor ze geschikt blijven voor diverse toepassingen.

Een veelbelovende combinatie

Een interessante dunnefilmcombinatie is die van perovskiet en Cu(In,Ga)Se2 (een combinatie van koper, indium of gallium en selenide). Deze combinatie werd specifiek onderzocht binnen het PERCISTAND-project, een Horizon 2020 gefinancierd initiatief onder leiding van imec, waarbij zowel academische als industriële partners betrokken waren. Met deze combinatie van materialen lukt het om stabiele zonnecellen te fabriceren met wereldrecordverbrekende efficiëntie: tot 30% op celniveau, kleiner dan 1cm², en 21% voor modules van 5 x 5 cm².

Europa en de kwestie van afhankelijkheid

Efficiënte dunnefilmtandemzonnecellen bieden zo een plan B nu Europa voor een belangrijke beslissing staat: blijven we afhankelijk van goedkope zonnepanelen-import uit China, of gaan we voor een strategische heroverweging van onze eigen productiecapaciteit? De vraag wordt urgenter nu China een dominante positie heeft verworven in de wereldwijde markt voor zonne-energie en elektrische voertuigen, met 80% van de wereldwijde productiecapaciteit voor zonnepanelen en een groeiende markt voor EV's.

In februari 2023 presenteerde de Europese Commissie nog het Green Deal Industrial Plan om de concurrentiekracht van Europa's industrie te versterken en de overgang naar klimaatneutraliteit te versnellen. Dit plan, samen met de Net-Zero Industry Act van maart 2023, beoogt tegen 2030 minstens 40% van de benodigde technologieën binnen de EU te produceren. Deze maatregelen moeten de afhankelijkheid van geïmporteerde technologie verminderen en een duurzamer energiesysteem creëren.

Van laboratorium naar markt

Maar de weg van laboratoriumtesten naar marktintroductie is lang. Professor Sebastien Lizin (UHasselt/EnergyVille) en zijn team berekenden daarom hoe haalbaar en duurzaam de PERCISTAND-technologie is op lange termijn. Hiervoor werd de Levelized Cost of Energy (LCOE, een maatstaf voor de totale kosten van een energieproject versus de energieopbrengst) en GHG emission factor (GEF, een maatstaf voor uitgestoten kg CO₂-equivalent per geproduceerde kWh energie) per technologie berekend, voor zijn productie en plaatsing in ofwel de EU, VS of China. Hierbij werd rekening gehouden met prognoses voor de samenstelling van de energiemix in alle regio’s en de verschillen in loon- en materiaalkosten.

Uit deze analyse blijkt dat de dunnefilmtandemzonnecellen, bij productie op megawatt-schaal, potentieel concurrerend kunnen zijn met silicium qua prijs (mits een competitieve levensduur bereikt kan worden en verliezen bij opschaling beperkt blijven). Daarnaast bleek ook dat ze een meer duurzame optie bieden voor de toekomst van zonne-energieproductie. Wanneer ze worden geproduceerd in Europa, zou dit leiden tot bijna 60% minder CO₂-uitstoot dan traditionele silicium PV-productie in China.

Gebouwgeïntegreerde zonnecellen

De weg naar duurzame energie

Wat vaststaat is dat de komende jaren extra productiecapaciteit zal moeten worden ingezet om te voldoen aan de groeiende vraag naar zonne-energie. Naast de huidige siliciumzonnecellen bieden dunnefilmtandems zich nu aan als kans voor het diversifiëren van onze Europese toeleveringsketen. Het doel is duidelijk, de kennis is er en de technologie is volop in ontwikkeling. Nu rest alleen de vraag: welke weg kiezen we naar een duurzamer elektriciteitssysteem tegen 2050?