Onderzoek naar transparante pv-panelen volop aan de gang
Voorlopig is iets meer dan 4% van de elektrische energie die wereldwijd wordt opgewekt zonne-energie. Daarin zal echter snel verandering komen, want de sector van de fotovoltaïsche elementen en panelen is volop in ontwikkeling, onder andere op het gebied van dunne film en Buiding Integrated Photovoltaics (BIPV). Daarbij horen eveneens de mogelijkheden van en het onderzoek naar transparante pv-panelen. Ook België is daarmee bezig, want IMO-IMOMEC (het geïntegreerde onderzoeksinstituut van UHasselt en IMEC) is een van de acht partners in het Europees project Tech4Win.
twee PV-technologieen
Voor fotovoltaïsche panelen zijn er twee mogelijke technologieën: silicium en dunne film (‘thin film’). Die eerste is duidelijk de populairste, want op de huidige markt heeft silicium een aandeel van 95%, terwijl dit voor dunne film slechts 5% is.
Silicium
Het klassieke systeem met siliciumzonnecellen zijn de panelen die typisch op daken kunnen worden aangetroffen. Momenteel heeft silicium een maximale efficiëntie van 26,7%, wat wil zeggen dat van de totale energie van de zon maximaal 26,7% zal worden omgezet in energie. De fundamentele limiet voor de efficiëntie van een pv-paneel bedraagt 30%, dus silicium is zo goed als uitontwikkeld. Dat komt omdat silicium ook veel aandacht heeft gekregen in andere ontwikkelingen en toepassingen, namelijk de computerwereld (computerchips) en ruimtevaart.
Dunne film
Dunne film of ‘thin film’ is een halfgeleider die is opgebouwd uit samengestelde materialen, bv. koper-indium-galliumselenide (CIGS). Om verschillende redenen zetten huidige onderzoeken in op die technologie:
- Ten eerste is silicium (zo goed als) volledig ontwikkeld, terwijl er bij dunne film wel nog heel wat vooruitgang kan worden geboekt. Er wordt dan ook geprobeerd om de beste ideeën van silicium – zoals het gebruik van passivatielagen om recombinaties en bijgevolg het verlies van elektronen vermijden – ook te kopiëren naar dunne film.
- Ten tweede heeft dunne film zijn naam niet gestolen. De actieve zone van dunne film is slechts 1 à 2 micron (micrometer) dik, terwijl die bij silicium varieert tussen de 100 à 200 micron (ter vergelijking: een menselijk haar heeft een dikte van ongeveer 60 micron). De productie van dunne film vergt dan ook minder materiaal, waardoor het in de toekomst – als er meer toepassingen zijn met dunne film – ook de goedkoopste van de twee technologieën zal worden.
In de toekomst zal de dikte van dunne film zelfs evolueren naar 0,5 micron of 500 nm (nanometer). - Ten slotte zorgt de dunheid er ook voor dat dunne film een flexibele technologie is waarbij ook probleemloos meerdere materialen met elkaar kunnen worden gecombineerd. Op die manier kunnen ook meerdere delen van het spectrum van de zon geabsorbeerd worden en zou het eventueel mogelijk kunnen worden om de (magische) fundamentele efficiëntiegrens van 30% te overschrijden. Zo heeft men met een combinatie van perovskiet (een nieuw materiaal voor dunne film) op chalcogenide (CIGS) een efficiëntie van 24,6% bereikt voor niet-flexibele en 23% voor flexibele zonnecellen. Het niet-flexibele resultaat evenaart silicium, maar het resultaat van de flexibele zonnecellen is een absoluut wereldrecord.
Building Integrated Photovoltaics
Dunne film is m.a.w. hét materiaal om te gebruiken bij Building Integrated Photovoltaics of BIPV. Dat zijn elementen of panelen die ook andere functionaliteiten hebben naast het opwekken van energie. Het gaat dan bijvoorbeeld om dakpannen, rooftiles of gevelelementen.
Het opwekken van energie is dan ook niet de belangrijkste eigenschap van BIPV. Het zijn voornamelijk de looks die primeren; kan het element perfect worden geïntegreerd in het gebouwontwerp? De energieopbrengst is dan bij wijze van spreken een handig extraatje.
Modulaire pv-elementen
Modulaire pv-elementen komen momenteel het meeste voor, want zowat alle producenten van de klassieke panelen hebben reeds zo’n oplossing in hun assortiment zitten. Dat zijn dan bijvoorbeeld dakpannen, rooftiles of gevelelementen waarin dunne film verwerkt zit. Er zijn echter ook nog andere mogelijkheden, zoals panelen die volledig geïntegreerd kunnen worden in een plat dak, zeer dunne en lichte panelen die als een soort doek over/op een dak liggen enz.
De toepassing van modulaire pv-elementen blijft voorlopig echter nog redelijk beperkt. O.a. in Nederland en Zweden zijn er al voorbeelden van toepassingen te vinden, maar vooralsnog is België nog niet op die kar gesprongen.
Semitransparante pv-panelen
Een tweede optie binnen BIPV zijn semitransparante pv-panelen, panelen die deels doorzichtig zijn. Om tot een semitransparant pv-paneel te komen, wordt er eerste dunne film aangebracht op het hele paneel. Daarna wordt precies gedefinieerd waar de zonnecellen zich bevinden, om dan een deel van die cellen te verwijderen met een laser. Na het laseren blijft er uiteindelijk een product over dat bijvoorbeeld voor 50% bestaat uit dunne film, de overige 50% uit gewoon glas. Die materialen wisselen elkaar af, waarbij ieder stuk materiaal telkens slechts enkele millimeters breed is (of zelfs nog iets minder, om het menselijk oog helemaal te bedotten). Aangezien die afwisseling zo fijn is, ervaart ons oog dat als één kleur en kan er ook door de panelen gekeken worden. Semitransparante pv-panelen zijn onderdeel van de gevelelementen die reeds gemaakt en gebruikt worden. Los daarvan worden ze echter (nog) niet veel toegepast.
Transparante pv-panelen
Misschien interessanter dan semitransparante pv-panelen zijn de transparante pv-panelen, die eruit zien als een gewoon glaspaneel. Van dit soort BIPV zijn er nog geen producten beschikbaar op de Europese markt, maar het onderzoek ernaar is wel volop aan de gang (zie verder).
Overtuigen van meerwaarde
Ondanks de algemene interesse in BIPV, moeten die oplossingen wel nog enkele problemen overkomen. Zo moeten de beschikbare producten eerst en vooral nog worden geïntegreerd in de markt en daarvoor moeten mensen worden overtuigd.
Architecten zijn veelal mee met het verhaal – het zijn flexibele systemen die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in een gebouwontwerp – maar ook de bouwpromotor en de mensen die het project financieren, moeten overtuigd zijn van de meerwaarde van BIPV. Voorlopig blijft het immers nog tamelijk duur (hoewel producten met competitieve prijzen wel degelijk mogelijk zijn en soms ook al gemaakt worden).
Tech4Win – afkorting van ‘Technology for Windows’ – is een Europees project dat zich engageert om een transparant pv-paneel te ontwikkelen. Aan het project werken acht partners mee, waaronder ook het Belgische IMO-IMOMEC (het geïntegreerde onderzoeksinstituut van UHasselt en IMEC). Voor dat onderzoeksinstituut is Prof. dr. Bart Vermang, die naast voor IMEC ook actief is voor UHasselt en EnergyVille, nauw verbonden met het project.
Tech4Win (Technology for Windows)
Tech4Win – afkorting van ‘Technology for Windows’ – is een Europees project dat zich engageert om een transparant pv-paneel te ontwikkelen. Aan het project werken acht partners mee, waaronder ook het Belgische IMO-IMOMEC (het geïntegreerde onderzoeksinstituut van UHasselt en IMEC). Voor dat onderzoeksinstituut is Prof. dr. Bart Vermang, die naast voor IMEC ook actief is voor UHasselt en EnergyVille, nauw verbonden met het project.
Doelstelling
Vermang: “De idee achter Tech4Win is dat we binnen drie jaar tijd een transparant pv-paneel willen ontwikkelen dat minstens een efficiëntie van 10% heeft. Het eindproduct zal slechts een klein proefconcept zijn, een raamconcept (met verschillende glasplaten op elkaar) van pakweg 30 op 30 cm. Het project heeft echter voldoende partners aan boord die erg geïnteresseerd zijn om van het proefconcept snel een commercieel product te maken. Naast het grote doel hebben we voor onszelf ook enkele kritieke prestatie-indicatoren of KPI’s gedefinieerd. We willen zeker 99% van het uv-licht gaan absorberen, maar het is ook belangrijk dat ons product 60% van het zichtbaar licht zal doorlaten. Dat percentage – ook wel average visible transmittance (AVT) genoemd – bedraagt ook 60% voor een gewoon glaspaneel. Qua doorlaatbaarheid willen we dus eigenlijk even sterk staan, wat voorlopig zelfs al lijkt te lukken.”
Werking paneel
“Om tot een transparant pv-paneel te kunnen komen, moeten we een product ontwikkelen dat enkel de delen van het spectrum van de zon die we niet kunnen zien, gaat omzetten in energie. We nemen dan ook alles wat net voor en net na het zichtbaar licht komt in het spectrum, m.a.w. ultraviolet licht en infrarood licht. Dat kunnen we echter alleen doen door met meerdere lagen te werken. Voor de laag die het uv-licht gaat absorberen, hebben we twee methodes. We gebruiken zowel oxides als selenides en sulfide, en op dit moment ontwikkelen we – met succes – Zn(S, Se). Voorlopig is het nog een evenwichtsoefening om te ontdekken wat voor methode of combinatie van methodes het beste werkt. Het is wel belangrijk dat ons paneel zoveel mogelijk uv-licht gaat absorberen en omzetten in energie. Voor de infraroodlaag werken we immers met organische zonnecellen en die zijn erg instabiel onder uv-licht. Ons onderzoek streeft ernaar om een paneel met een efficiëntie van 10% te bekomen. Dat is cruciaal, want een product dat onder dat percentage zit, heeft minder kans om te worden opgenomen door de industrie. Van die 10% zal maar liefst 8% afkomstig zijn van het infraroodlicht en slechts 2% van het uv-licht. De belangrijkste eigenschap van onze zonnecel is dus niet per se dat die veel energie opbrengt, maar wel dat de cel over een goeie uv-filter beschikt.”
Traject project
Vermang: “Het project loopt in totaal drie jaar. 2019 was het eerste projectjaar en diende vooral om verschillende materialen te screenen en met elkaar te vergelijken. Op die manier wordt beslist dewelke de beste zijn en met welke materialen het project dan ook kan verdergaan. Tijdens het tweede projectjaar, 2020, werd er gewerkt om de gekozen materialen volledig te optimaliseren voor het beoogde gebruik. En in 2021 werd er volop gewerkt worden aan het proefconcept. Een van de doelstellingen was om de lagen zo dun mogelijk te maken. Bij aanvang hadden die nog een dikte van 1 micron, maar we gaan ervan uit dat we uiteindelijk een laagdikte in de grootteorde van 100 nanometer zullen bereiken. Dan zal het geheel automatisch ook transparanter worden.”
Sturing door Europese Unie
Vermang: “De belangrijkste sturing voor ons project krijgen we momenteel van de Europese Unie. Dankzij de EU kunnen we namelijk rekening houden met een lijst van Critical Raw Materials of CRM’s. Dat zijn materialen waarvan er niet erg veel zijn op onze planeet en die reeds gebruikt worden in andere toepassingen. Die materialen laten we dus beter links liggen bij de ontwikkeling van ons transparant paneel. Tegelijkertijd is het ook deels Europa dat onderzoek naar BIPV en transparante pv-panelen mogelijk maakt. De EU wil dat alle nieuwe gebouwen tegen 2021 in principe energieneutraal zijn, waarbij het gebruik van zonne-energie cruciaal zal zijn. Extra mogelijkheden met BIPV zullen dan ook alleen maar warm onthaald worden.”
