Perovskiet zonnecellen danken hun naam aan ‘perovskieten’, een grote samengestelde groep met een kristalstructuur vergelijkbaar met het mineraal perovskiet CaTiO3. Eenvoudig gezegd bestaat een perovskieten zonnecel uit drie bouwstenen: een elektronentransporterende laag, een gatentransporterende laag, en daartussen bevindt zich de actieve perovskietlaag.
In de afgelopen jaren zijn perovskieten zonnecellen bekend komen te staan om de opmerkelijke ontwikkeling in de efficiëntie van stroomconversie. In feite melden vroege studies in 2009 al efficiënties tussen 3 en 4 en opmerkelijk genoeg is deze efficiëntie al verdubbeld na slechts 2 jaar. Tegenwoordig vermelden rapporten efficiënties tussen 22 en 24%, waarbij een nieuwe studie zelfs een efficiëntie van 29,15% heeft bereikt. Ter vergelijking: de gerapporteerde maximaal mogelijke efficiëntie voor zonnecellen op basis van silicium is 29% (de Shockley-Queisser-limiet), terwijl de huidige toepassingen een efficiëntie van 25% behalen. Met de opkomst van verschillende strategieën om de prestaties en stabiliteit van perovskieten zonnecellen te verbeteren, kan een verdere ontwikkeling van de energieconversie-efficiëntie worden verwacht.
Naast de hogere efficiëntie hebben perovskieten zonnecellen een voordeel ten opzichte van traditionele op silicium gebaseerde PV’s in termen van eenvoud van verwerking en productiekosten. Dit komt omdat perovskieten relatief goedkoop is om te produceren. In tegenstelling, de productie van siliconen kost veel geld en vereist ook nog eens veel energie om verontreinigingen uit het silicoonmateriaal te verwijderen. Daarnaast is perovskieten een stuk dunner dan siliconen, met als gevolg dat de productie van perovskieten maar liefst 20 keer zo minder materiaal vereist.
Ondanks de grote voordelen van perovskieten zonnecellen, zijn er enkele technologische nadelen die de grootschalige implementatie van perovskieten zonnecellen belemmeren. Ten eerste hebben perovskieten zonnecellen een aanzienlijk kortere levensduur dan conventionele zonnepanelen. Om toe te lichten: perovskieten hebben een hoge gevoeligheid voor zuurstof, warmte en vocht, waardoor cel instabiliteit ontstaat bij blootstelling. Als gevolg wordt de generatiecapaciteit van perovskieten zonnecellen teruggebracht tot 90% na slechts 500 uur prestatie. Het tweede probleem van perovskieten zonnecellen is het giftige lood dat in de meeste celstructuren wordt gebruikt. Daarom vereist het verwerken van perovskieten een gevoelige controle van productie tot recycling, wat de kosten opdrijft vanwege de potentiële gevaren.
Hoewel deze problemen substantiële uitdagingen vormen voor de marktintroductie van perovskieten zonnecellen, zijn de nieuwe wetenschappelijke ontwikkelingen veelbelovend voor de toekomst van perovskieten. Zo zijn wetenschappers erin geslaagd om in een testomgeving de levensduur van perovskieten te verhogen van 700 naar 4.000 uur door gebruik te maken van een ‘moleculaire lijm’, die de hechting tussen de cellagen verhoogde. Er zijn daarnaast ook meerdere onderzoekende lopend die tot doel hebben het giftige lood in perovskieten zonnecellen.
Concluderend verloopt de technologische ontwikkeling van perovskieten zonnecellen soepel genoeg om binnen enkele jaren commerciële perovskieten zonnepanelen te zien verschijnen. Desalniettemin, er is misschien nog wel een grotere uitdaging voor perovskieten zonnepanelen, en deze is institutioneel van aard. Binnen de innovatiewetenschappen wordt instituties gebruikt als parapluterm voor wetten, voorschriften, culturele normen, sociale regels en technische normen. Het institutionele obstakel voor perovskieten zonnepanelen is het bestaan van de zogenoemde siliconen lock-in. Door de intensieve verspreiding van siliconen zonnepanelen wereldwijd, domineren siliconen al jarenlang de zonnepanelenmarkt. Met als gevolg, hoe meer siliconen PV’s worden ingezet, hoe groter de prikkels voor nieuwe klanten wordt om een siliconen PV over te nemen ten opzichte van andere soorten zonnepanelen. Bovendien neemt ook de relatieve waarde van siliconen PV’s toe naarmate het aantal afnames groeit, omdat het aantal experts en installateurs ook meegroeit. Alles bij elkaar zorgt dit fenomeen ervoor dat er instituties ontwikkelt worden die weinig tot geen ruimte bieden voor andere typen zonnepanelen. Ik zal twee voorbeelden geven.
Ten eerste moeten alle zonnepanelen voldoen aan de ontwerpkwalificatietestvereisten van de IEC 61215-norm voordat deze op de markt terecht kunnen komen. Deze norm stelt dat alle PV-modules een duurzaamheidstest moeten doorstaan, waarbij de modules 1.000 uur lang worden opgewarmd tot 85 graden Celsius bij een luchtvochtigheid van 85% en tegelijkertijd worden bestookt met hagelstenen. Vanwege de IEC 61215-standaard en de stabiliteitsproblemen van perovskieten zijn er nog bijna geen commerciële toepassingen. Voor alle duidelijkheid hier: temperaturen boven de 60 graden Celsius en vocht bij een luchtvochtigheid boven de 50% verergeren het afbraakproces van perovskieten. De IEC 61215-standaard is voornamelijk gebaseerd op siliconen zonnepanelen, waardoor er onvoldoende ruimte is voor de ontwikkeling van commerciële toepassingen van perovskieten zonnepanelen. Een tweede voorbeeld is de huidige norm voor de levensduur en degradatie van zonnepanelen. Zonnecellen van kristallijn siliconen hebben een gemiddelde degradatiesnelheid van 0,5% per jaar, die onder operationele omstandigheden vaak 25 jaar wordt gegarandeerd. Om binnen de PV-markt te kunnen concurreren, moeten perovskieten zonnecellen vergelijkbare niveaus van stabiliteit bereiken (bijv. 0,25 tot 0,5% verliezen per jaar).
Kortom, perovskieten zonnepanelen bieden veel voordelen op het gebied van kosten en rendement bij het opwekken van zonne-energie. Door de snelheid van de technologische ontwikkeling in de afgelopen jaren kunnen we binnen enkele jaren al commerciële toepassingen te verwachten. Echter vormt de dominantie van de siliconen zonnepanelen op de zonnepanelenmarkt nog een grote uitdaging.