Hannah van der Korput
20 februari 2025, 11:30

Zonnecellen van perovskiet lossen langzaam maar zeker hun belofte in

Perovskiet wordt gezien als the next big thing in zonne-energie. Het mineraal is goedkoop, ruim voorradig en eenvoudig toe te passen. Maar perovskiet is ook kwetsbaar en de levensduur is niet lang. Al zijn wetenschappers die uitdagingen in rap tempo aan het oplossen.

Getty Images 1399095266 In de wereld van zonnepanelen zijn de verwachtingen rondom perovskiet al jaren hooggespannen. | Credits: Getty Images

Met een marktaandeel van 95 procent zijn vrijwel alle zonnepanelen gemaakt van silicium. De zonnecellen zijn stijf en de constructies waarin ze zijn verwerkt zwaar, waardoor lang niet alle daken geschikt zijn om traditionele zonnepanelen op te leggen.

Dat geldt niet voor perovskiet. Van het mineraal is maar een heel dun laagje nodig (maximaal 1 micrometer) om een zonnecel te maken. Bovendien kunnen de lichtgewicht zonnecellen op allerlei ondergronden worden aangebracht: van plastic tot glas. Zo kunnen daken, ramen en auto’s energie opwekken als ze voorzien zijn met een laag perovskiet.

Efficiëntie

In de wereld van zonnepanelen zijn de verwachtingen rondom het materiaal al jaren hooggespannen. Efficiëntie is inmiddels het probleem niet meer. Onlangs slaagde de grootste fabrikant van zonnepanelen, het Chinese JinkoSolar, erin om een zonnecel van perovskiet te maken met 33,84 procent rendement. Dat is een nieuw record.

JinkoSolar combineert twee materialen om zoveel mogelijk energie uit zonlicht te halen. Door bovenop de siliciumlaag de transparante perovskiet-laagjes aan te brengen, wordt het hele spectrum van het zonlicht benut. Dat leidt tot een efficiëntie van ruim 33 procent.

Het rendement van conventionele zonnepanelen die enkel uit silicium bestaan, ligt rond de 20 procent en stijgt al jaren. Al zal dit volgens onderzoeksorganisatie TNO maximaal 26 procent worden. Het is dus interessant om zonnecellen te maken met meerdere materialen.

Levensduur

Een nadeel van perovskiet is dat het erg kwetsbaar is. Een constant bombardement van UV-straling door zonlicht zorgt ervoor dat zonnepanelen met het kristal na verloop van tijd capaciteit verliezen. Andere elementen, zoals vocht en hitte, zorgen ervoor dat de levensduur van perovskiet nog verder wordt verkort.

Wetenschappers verbonden aan de Zhejiang Universiteit in China hebben een antwoord op die kwetsbaarheid. Zij zijn erin geslaagd om de zonnecellen beter bestand te maken tegen hitte en water. De uitvinding wordt high entropy hybrid perovskite (HEHP) genoemd en hij combineert perovskiet-lagen met organische tussenlagen. In experimenten behield de zonnecel 98 procent efficiëntie na duizend uur in de zon te hebben gelegen. De wetenschappers verwachten dat de afbraak pas na vijfduizend uur gaat versnellen. De zonnecel van perovskiet haalde een efficiëntie van 25,7 procent.

In Hongkong werd al een speciale coating ontwikkeld op basis van nikkeloxide om de levensduur te verlengen. “Door deze laag behouden onze verbeterde cellen een efficiency van 90 procent met een rendement van 25,6 procent; zelfs bij hoge temperaturen rond de 60 graden Celsius gedurende meer dan 1.000 uur”, vatte professor Zhu Zonglong het samen. “Dat is een mijlpaal.”

Volledig te recyclen

Ondanks de innovaties hebben de perovskiet-cellen nog altijd een kortere levensduur dan die van silicium. Maar hoe erg is dat als de nieuwe generatie zonnecellen volledig recyclebaar is? Een onderzoeksteam van de Zweedse Universiteit van Linköping heeft een methode ontwikkeld om alle onderdelen van een zonnecel herhaaldelijk te recyclen en dat zonder milieugevaarlijke oplosmiddelen. De gerecyclede zonnecel heeft dezelfde efficiëntie als het origineel. De studie is recent gepubliceerd in het wetenschapsblad Nature.

Zonnepanelen van silicium die aan het begin van dit millennium zijn aangeschaft, naderen het einde van hun levensduur. Er zijn nog maar weinig recyclemogelijkheden voor die oude panelen. “In de meeste gevallen worden afgedankte PV-systemen verwerkt als elektronisch afval”, vertelde Martin Späth, expert PV-technologie bij TNO, eerder tegen Change Inc. “In feite betekent het dat ze als geheel de shredder ingaan.” De verbrijzelde panelen eindigen dan bijvoorbeeld als vulmateriaal in beton of als schuurmiddel. In de EU gebeurt dit jaarlijks met zo’n 4.000 ton zonnepanelen.

Om een nieuwe stortplaats te voorkomen, wordt in Zweden gewerkt aan het recyclen van perovskietcellen. “In dit project hebben we een methode ontwikkeld waarbij alle onderdelen opnieuw kunnen worden gebruikt in een nieuwe perovskietzonnecel zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties van de nieuwe cel”, aldus Niansheng Xu, postdoc bij Universiteit van Linköping.

Er zijn al methoden om perovskietzonnecellen te ontmantelen. Daarbij wordt meestal gebruik gemaakt van een stof genaamd dimethylformamide, een veelgebruikt ingrediënt in oplosmiddelen voor verf. Het is giftig en schadelijk voor het milieu. Nu hebben de wetenschappers een technologie ontwikkeld waarbij water wordt gebruikt als oplosmiddel bij het ontmantelen van de afgebroken perovskieten. Vervolgens kunnen hoogwaardige mineralen weer uit de wateroplossing worden gerecycled. De volgende stap is om de methode te ontwikkelen voor grootschalig gebruik in een industrieel proces. De tijdslijnen hiervoor zijn nog onbekend.

Marktklaar

De ontwikkelingen zijn dus in volle gang, al vinden die vooral in het lab en op kleine schaal plaats. Om de zonnecellen van perovskiet klaar te stomen voor de markt, moet de productie op grote schaal net zo succesvol zijn. Er lopen diverse initiatieven om dat voor elkaar te krijgen. Zo werken negen wetenschappelijke topinstituten samen om perovskietzonnepanelen marktklaar te maken. Een ander Europees initiatief richt zich op de massaproductie van de zonnecellen. In Nederland is er het consortium SolarNL, dat werkt aan de productie van zonnepanelen op eigen bodem. Perovskietcellen zijn daar ook een onderdeel van.

Lees ook:

Changemaker Chantal van Schaik (Holland Houtland): ‘Met biobased bouwen is enorme winst te behalen’

Waarom is Holland Houtland opgericht? “Holland Houtland heeft op verschillende manieren de urgentie van de materiaaltransitie zichtbaar gemaakt. Bijvoorbeeld met een online tool, ONCRA, waarmee je een fictief huis bouwt met biobased materialen die je zelf uitkiest. De tool berekent wat de impact van de biobased materialen is ten opzichte van een traditioneel huis. Het verschil is groot. Als je alle keuzes biobased maakt voor alle bouwdelen, dan wordt er in die materialen meer CO2 opgeslagen (27,4 ton) dan de totale uitstoot van een conventioneel huis van beton en baksteen (24 ton). Dat enorme verschil maakt veel los bij besluitvormers. Het heeft geleid tot de huidige zoektocht van bedrijven als Ballast Nedam naar manieren om de CO2 opslag in de boekhouding vast te leggen.” Je werkt dus letterlijk als Changemaker? “Ja inderdaad. Dankzij dit soort initiatieven is de rijksoverheid de Nationale Aanpak Biobased Bouwen gestart en stelde die 200 miljoen euro subsidie beschikbaar om het gebruik van biobased bouwmaterialen te stimuleren. Dit is een heel belangrijke stap om biobased bouwen een stimulans te geven bij de groeiende woningopgave. Ik werk aan die transitie. Als begeleider van een netwerk voor vernieuwers werken we aan de nationale aanpak om gemeenten, wooncorporaties en de bouwketen met elkaar te verbinden en te ondersteunen bij deze belangrijke verandering. Biobased bouwen is allereerst gezond bouwen, daarnaast is het snel, duurzaam en kan het binnen de stikstofnormen. Juist nu maken we zichtbaar dat biobased bouwen een versneller is van de woningbouw.” De bouw en gebouwde omgeving is verantwoordelijk voor 40 procent van de CO2-uitstoot. Kun je dit duiden? “Wat we vaak vergeten, is dat we enorm veel energie nodig hebben om onze gebouwen, huizen, infrastructuur te onderhouden, te koelen en te verwarmen. 11 procent van die uitstoot betreft het materiaalgebruik. Er is veel energie nodig om staal, cement, baksteen en beton te produceren en toe te passen. Voor het produceren van steenwol, voor isolatie, worden stenen gesmolten bij een hitte van 1.500 graden Celsius. De gesmolten lavastroom wordt weggeslingerd en door een grote ventilator weggeblazen waarna de lava stolt tot ragfijne draden. Iedereen kan bedenken dat dat enorm veel energie kost. Die hele energie-intensieve fossiele stap heeft biobased isolatiemateriaal van hout, hennep of vlas niet nodig.” Hoeveel scheelt het? “Als we alleen al de 1,5 miljoen slecht geïsoleerde huizen in Nederland zouden isoleren met biobased isolatie in plaats van steenwol of andere minerale en synthetische isolatiematerialen, is er al een reductie te behalen van 9 megaton CO2. Dat is net zoveel als het sluiten van drie kolencentrales.” Er zijn tal van biobased materialen zoals hout, olifantengras, zeewier, hennep en tomatenloof om bouwplaten van te persen of mee te isoleren. Welke daarvan hebben veel potentie? “Materiaal dat al in grote hoeveelheden beschikbaar is en snel groeit onder diverse omstandigheden. Stro springt daar dan zeer positief uit. Graan is belangrijk voedsel en wat er overblijft is zeer geschikt voor de bouw. Stro is niet alleen toepasbaar als isolatiemateriaal maar ook constructief inzetbaar, net als hennep. Stro en houtvezel zijn nu al snel toe te passen in de bouw als grondstof. Helemaal als het uit de fabriek komt als prefab-concepten.” Wat is het doel van Holland Houtland? “Het streven is om geen waarde aan de aarde te onttrekken maar toe te voegen met materialen die opnieuw groeien of te gebruiken zijn. Dat kan ook met optoppen, aanplakken en transformeren van bestaande gebouwen.” Wat is jouw toegevoegde waarde in het versnellen van de bouwtransitie? “Ik help om kansen zichtbaar en realistisch te maken. Daarnaast bieden we ook praktische tools zoals een materialengids, ondersteunen een vezelhub voor nieuw plaatmateriaal, en een project om biobased bouwmaterialen te certificeren. Mijn team werkt nu aan een Biobased Academy waar acht Amsterdamse woningcorporaties samen met hun vastgoedonderhoudsbedrijven leren over biobased isoleren. Voor verandering is lef en moed nodig. Dat wil ik toevoegen. Ik vind het belangrijk om biobased te bevorderen en ik zet mij in voor de bouw-economie. Het gaat niet alleen om milieu-impact. Ook om geld, opdrachtgevers en investeerders.” Wat hebben jullie al bereikt in bouwend Nederland? “Wij hebben de energietransitie verbonden aan materiaalgebruik in de bouw. De woningcorporaties verdubbelden afgelopen jaar hun houtbouw naar 14 procent. We hebben mede de waarde van CO2-opslag in de bouw zichtbaar gemaakt, wat heeft geleid tot certificering door de Climate Cleanup Foundation. De waardering van CO2-opslag en certificering van biobased materialen is belangrijk voor de lange termijn.” Met wie zou je nog willen samenwerken? “Met mensen die een visie hebben op de toekomstbestendige economie zoals de econoom Sandra Phlippen. We kunnen de energietransitie en verduurzaming in één keer goed doen. Dat kost geld zoals investering in een andere maakindustrie maar het vergt vooral een nieuwe toekomstbestendige manier van waarde creëren in onze economie.” Wat geef je jonge Changemakers mee? “Haal je toekomstdroom naar het nu en probeer daar zo concreet mogelijk mee aan de slag te gaan. Doe het in één keer goed in plaats van een beetje minder slecht.” Andere Changemakers: Changemaker Maikel van Wissen (Advocates for the Future): ‘Je moet je kop niet in het zand steken’Changemaker Rutger van Raalten (CarbonX): ‘We kunnen lokaal leveren tegen vergelijkbare prijzen als grafiet uit China’Changemaker Marissa de Boer (SusPhos): ‘Als kind kun je de hele wereld aan, die passie moet je blijven volgen’