Bron: nsenergybusiness.com
Oxford PV zal volgend jaar het eerste bedrijf worden dat zonnecellen op basis van perovskiet-silicium verkoopt aan de residentiële dakmarkt.
Oxford PV maakt gebruik van een "tandem"-concept waarbij een dunne film perovskiet wordt aangebracht op een conventionele silicium primaire cel (Credit: Oxford PV)
Oxford PV, dat zichzelf omschrijft als "het perovskietbedrijf", is van plan een belangrijke speler te zijn in wat het ziet als de volledig elektrische toekomst op zonne-energie. James Varley, een schrijver voor het tijdschrift Modern Power Systems, bekijkt hoe het bedrijf dat doel wil bereiken.
Volgend jaar, als alles volgens plan verloopt, zal Oxford PV het eerste bedrijf worden dat zonnecellen op basis van perovskiet-silicium verkoopt aan de residentiële dakmarkt. Ze zullen een potentieel baanbrekende efficiëntie hebben, ongeveer 20% hoger dan de huidige gevestigde technologie, cellen die alleen silicium bevatten.
Oxford PV maakt gebruik van een "tandem"-concept waarbij een dunne film perovskiet wordt aangebracht op een conventionele silicium primaire (of onderste) cel (de dikte van het perovskiet is ongeveer 1/200e van die van het silicium).
Deze tandembenadering verbetert het vermogen om specifieke delen van het zonnespectrum vast te leggen, met name aan het hoogenergetische, blauwe uiteinde, wat betekent dat de tandemcel perovskiet-op-silicium een theoretische efficiëntielimiet heeft van 43% versus 29% voor cellen die alleen silicium bevatten.
In de praktijk ligt de gemiddelde efficiëntie van residentiële silicium PV die tot nu toe is geïnstalleerd tussen 15-20%, terwijl het maximum in de "echte wereld" voor silicium wordt geschat op ongeveer 26%.
De vroege commercieel geproduceerde Oxford PV-tandemcellen zullen naar verwachting aanvankelijk een efficiëntie van ongeveer 27% bereiken, maar het bedrijf verwacht gestage verbeteringen naarmate de technologie zich de komende jaren ontwikkelt. "We hebben een duidelijke roadmap om deze technologie boven de 30% te brengen", zegt CEO Frank Averdung.
Dr. Chris Case, CTO bij Oxford PV, merkt op dat het bedrijf sinds 2014, toen het besloot zich uitsluitend te richten op de perovskiet-Si tandem, het de efficiëntie van zijn zonnecel gemiddeld met één procentpunt per jaar heeft verhoogd en een pad en de theoretische fundamenten heeft om deze technologie verder te ontwikkelen tot aan de hoge jaren 30.
Een onderzoekscel die gebruikmaakt van de Oxford PV-technologie heeft al 29,52% bereikt (zoals gecertificeerd door het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory), een wereldrecord voor perovskiet-Si tandemcellen en ook beter dan elke onderzoekscel met één knooppunt (waarvoor het huidige record, 29,2%, wordt gehouden door een cel die GaAs gebruikt).
Perovskiet werd voor het eerst ontdekt in zijn natuurlijk voorkomende minerale vorm (CaTiO3) in 1839 (toevallig hetzelfde jaar als het fotovoltaïsche effect voor het eerst werd waargenomen, merkt Chris Case op). Maar pas in de afgelopen tien jaar of zo is het enorme potentieel van synthetische perovskieten als materiaal voor zonnecellen volledig erkend.
Prof. Henry Snaith, die in 2010 medeoprichter was van Oxford PV om zonnetechnologie te commercialiseren die vanuit zijn laboratorium aan de Universiteit van Oxford werd overgedragen (en de chief scientific officer van het bedrijf is), heeft hierin een sleutelrol gespeeld, met name via een artikel gepubliceerd in Science in 2012, waarin een levensvatbare solid-state zonneceltechnologie wordt beschreven die metaalhalideperovskiet gebruikt.
De vooruitgang in de afgelopen 10 jaar is opmerkelijk snel gegaan en perovskieten trekken steeds meer belangstelling voor het zonneveld.
Zoals alle materialen die in zonneceltoepassingen worden gebruikt, zijn perovskieten – waarvoor de generieke chemische formule ABX3 is, waarbij A en B kationen zijn en X het anion – halfgeleiders.
"Perovskieten zullen de komende 50-100 jaar alomtegenwoordig zijn in fotonica en elektronica", meent Chris Case. "Het is zo'n prachtig materiaal."
Vanuit het oogpunt van materiaalwetenschap, "is er een uniciteit, daarom is het zo goed", voegt hij eraan toe. "Elk van de atomen is georiënteerd als een verzameling octahedra die op elkaar zijn gestapeld en verdraaid. Die wending maakt 'abnormale' hoge fotostroomverspreiding mogelijk, en dat is vrijwel uniek voor deze structuur, en mensen exploiteren dit pand... Dit spul is geweldig, het is ongelooflijk transformerend."
Ook zijn de materialen die worden gebruikt voor synthetische perovskieten overvloedig en de hoeveelheid die per eenheid celoutput wordt gebruikt, is erg klein. "Vanuit het oogpunt van middelen is de technologie dus in staat om te worden geschaald naar het vele TW-niveau", zegt Case.
En naast het aantonen van recordefficiëntie, hebben cellen en modules met behulp van de Oxford PV-technologie ook "extern gemeten industriestandaard betrouwbaarheidstests van de Internationale Elektrotechnische Commissie doorstaan", voegt hij eraan toe.
De route naar de markt
"De wetenschappers hebben hun werk gedaan", zegt Frank Averdung. "Ze hebben het materiaal geïdentificeerd. Ze hebben de structuur gemaakt. Ze hebben gewerkt aan het stabiel maken ervan en hebben hun zorgen over duurzaamheid en levensduur aangepakt. De vraag waar we nu een antwoord op moeten vinden is: hoe commercialiseren we het?"
De uitdaging is er een die vrijwel elke start-up met iets nieuws wordt geconfronteerd, zegt hij. "Je hebt een gevestigde markt. Je hebt marktspelers opgericht. Je hebt iets veel beters. Maar hoe krijg je mensen ertoe om het te omarmen? Hoe zorg je ervoor dat het gebeurt?"
Zoals hij opmerkt, zijn de gevestigde spelers miljardenbedrijven en hebben ze miljarden geïnvesteerd in een productie-infrastructuur. "Zijn ze echt geïnteresseerd om dat allemaal te schrappen en iets nieuws te doen?" vraagt Averdung.
Het goede nieuws is dat de Oxford PV-tandemtechnologie, met silicium als primaire cel, niet vereist dat bestaande productietechnologie wordt weggegooid en "de industrie niet ontwricht", en dit is een groot voordeel.
"Wanneer we een dunne filmperovskietcel bovenop de silicium 'primaire' cel plaatsen, heeft deze nog steeds dezelfde vormfactor en ziet het er nog steeds uit als een conventionele Si-cel, maar de uitgangsspanning is hoger", zegt Averdung. "Je kunt dezelfde tools gebruiken en in dezelfde modules invoegen. De paneelgrootte is hetzelfde. Alles is hetzelfde. Maar je krijgt aanzienlijk meer stroom uit."
Qua uiterlijk zal de eindgebruiker geen groot verschil merken, behalve dat het er "een beetje mooier uitziet", voegt hij eraan toe.
In 2015 toonde Oxford PV aan dat de tandemcel haalbaar was, maar dat hij "de vereiste vormfactor moest krijgen", legt hij uit, dus vereiste hij een proefproductielijn of "gebruikte fabriek".
Zo'n fabriek werd gevonden in Brandenburg an der Havel, Duitsland, en overgenomen in 2016. "Het was toen veel te groot voor ons, maar paste perfect bij onze dunne-film pilotenlijn", die in 2017 operationeel was", zegt Averdung.
"De rol van de pilotlijn was en is in wezen productoptimalisatie, waarbij alle resultaten van het Oxford-lab werden meegenomen en vormfactorgewijs werden opgeschaald en industriestandaard tests werden uitgevoerd om te controleren of de cellen de vereiste betrouwbaarheid en stabiliteit op lange termijn bereiken en aan de behoeften van de industrie voldoen."
Oxford PV werkte enkele jaren samen met een gezamenlijke ontwikkelingspartner, een zeer groot bedrijf in de fotovoltaïsche industrie, "dat ons in feite vertelde wat de industrie zou willen", zegt Averdung.
Maar in 2018 voegt hij eraan toe dat "alles veranderde", en het bedrijf besloot dat de "beste en snelste route naar commercialisering van de technologie zou zijn om het zelf te doen, waardoor we alle parameters van de technologie onder onze controle konden houden, zodat we er zeker van konden zijn dat het product, als het op de markt kwam, perfect paste bij de eisen van de klant".
Dit vereiste dat het bedrijf investeerders moest vinden die er geld in zouden steken, waardoor het een productiebedrijf kon opzetten. "We hadden geluk", zegt Averdung, toen een aantal ondersteunende investeerders werd gevonden. De belangrijkste aandeelhouders van het bedrijf zijn nu Equinor, Legal & General Capital, Goldwind en Meyer-Burger.
Het geld dat investeerders in het bedrijf stopten, maakte het mogelijk om de eerder verworven Brandenburgse fabriek te upgraden en, naast de reeds bestaande proeflijn, een volledige tandemcelproductielijn in een ander deel van de faciliteit op te zetten.
Dit wordt 's werelds eerste volumeproductielijn voor perovskiet-op-silicium tandem zonnecellen en zal naar verwachting rond het tweede kwartaal van volgend jaar een initiële streefcapaciteit van 100 megawatt (MW) bereiken.
De cellen worden verkocht aan modulemakers (regelingen zijn er al) en de initiële doelmarkt is de "premium" residentiële daksector. In dit segment van de markt is ruimte een kritieke beperking en de verhoogde vermogensdichtheid van de Oxford PV-tandemcel is bijzonder aantrekkelijk.
Met veel meer elektriciteit die gedurende de levensduur van de installatie wordt opgewekt, is er de bereidheid om aanzienlijke premies te betalen voor hoogrenderende modules, meent Oxford PV.
Averdung wijst erop dat de kosten van de cellen een relatief klein deel van de totale kosten van een pv-installatie op het dak van een woning uitmaken, zodat de toegenomen celkosten slechts een relatief klein effect hebben op de algehele economie in vergelijking met de voordelen van een hogere productie.
Naar de gigafactory
De productielijn van 100 MW en de markt voor residentiële daken worden gezien als slechts het begin. Oxford PV's visie is een volledig elektrische wereld met perovskieten als mainstream zonnetechnologie. Het is te hopen dat de laatste financieringsronde van het bedrijf het "de middelen zal geven om de volgende stap te plannen, wat een gigafactory is", zegt Averdung.
Hij hoopt eind 2024 of ongeveer 2 gigawatt (GW) productiecapaciteit in bedrijf te hebben en vervolgens ongeveer 2GW per jaar toe te voegen, tot meer dan 10GW tegen het einde van het decennium.
In eerste instantie is de doelmarkt, zoals reeds opgemerkt, het premium residentiële dak, maar "dit zal veranderen zodra we in de productie van GW-schaal komen, dan kunnen we bovendien de kleine commerciële daksector aanpakken", zegt Averdung, en "zodra we naar 5GW en verder gaan, is nutsschaal binnen handbereik".
Op nutsschaal gaat het "allemaal om LCOE", merkt hij op, "ervan uitgaande dat de kosten van uw land beheersbaar zijn", en bij 5-GW productiecapaciteit "zal onze LCOE concurrerender zijn dan die van iemand anders, maar dat zal natuurlijk een paar jaar duren".
Uiteindelijk "zijn we van plan om een van de belangrijkste spelers in de fotovoltaïsche energie te worden", zegt Averdung. En het beheersen van wat Chris Case de "magie" van perovskieten noemt, zou de sleutel kunnen blijken te zijn om die ambitie te bereiken.
