Hoe onderzoek je levensduur en betrouwbaar voor solar?

Wat maakt het ontwikkelen van nieuwe toepassingen met dunne-film zonnecellen zo lastig? In deze serie kijken we naar het werk achter deze nieuwe ontwikkelingen. Een kijkje in de keuken van een researchinstituut. In deze eerste aflevering vragen we Dorrit Roosen waarom betrouwbaarheid zo lastig te onderzoeken is.

Bij het installeren van traditionele, op silicium gebaseerde zonnepanelen, kun je ervan uitgaan dat deze panelen zo’n 20 tot 30 jaar blijven functioneren. Het zonnepaneel is goed beschermd tegen de invloeden van water en licht. In de afgelopen decennia is er veel kennis opgedaan over hoe we traditionele panelen kunnen beschermen. Deze technologie wordt ook toegepast bij dunne-film zonnepanelen op glas, maar voor flexibele zonnecellen is een andere aanpak nodig.

BESCHERMING IS CRUCIAAL

Voor de meeste zonnepanelen is glas een ideaal materiaal: het is transparant, goedkoop, laat geen vocht of gassen door en is prima te recyclen. Maar het nadeel van glas is dat het zwaar is [1]. Het is ook stijf en breekbaar en daarom niet geschikt voor flexibele zonnecellen [2].

Aan het materiaal dat flexibele zonnecellen moet beschermen, worden hoge eisen gesteld. Het moet kwetsbare lagen van de zonnecel beschermen tegen invloeden van buitenaf, want zowel perovskiet en CIGS verliezen hun effectiviteit door degradatie onder invloed van water en zuurstof. Voor een hoge efficiëntie zal de beschermlaag voldoende licht moeten laten en dat alles natuurlijk tegen acceptabele kosten.

“Om zonnecellen goed te beschermen is een folie nodig die 1.000 maal minder vocht doorlaat dan de beste folies die gebruikt worden om voedsel te verpakken”, volgens Dorrit Roosen, onderzoeker in het Shared Research Program Integratie, “Ook bij de kwetsbare zijkant en op de plek waar de connectoren de folie verlaten, moeten het ontwerp en de materialen zo zijn dat je de gevraagde levensduur moet kunnen halen”. Met alleen het materiaal ben je er nog niet, je moet het ook goed kunnen verwerken.

Solliance Solar Research voorziet in haar technology roadmap dat zonnecellen in de toekomst op de rol geproduceerd worden, zonder dure vacuüm of hoge-temperatuur-processen. Daarom richt het onderzoek naar de barrière- en beschermingsmaterialen zich op buigbare, polymere folies, al dan niet in combinatie met anorganische lagen.

Combinatie van lagen zorgt voor synergie

Er is niet één materiaal waarbij alle eigenschappen samenkomen. Een slimme combinatie van verschillende lagen maakt het mogelijk een geschikte de barrière voor zonnecellen te ontwikkelen. Een dunne anorganische laag  kan de folie zuurstof- en waterdicht maken. “Bedenk je dat, als je zo’n stapel van materialen gaat buigen, je lagen niet mogen barsten, anders verliest de barrière zijn functie”, benadrukt Dorrit Roosen.

Het onderzoek van Solliance Solar Research en TNO, richt zich ook op technologieën om deze lagen goed en snel op een zonnecel te deponeren. Solliance streeft ernaar om processtappen zo veel mogelijk te combineren in één productieproces. Dit houdt kosten laag en resulteert vaak in een hogere kwaliteit. Met bijvoorbeeld spatial atomic layer deposition is het mogelijk om roll-to-roll, snel dunne lagen van een extreme kwaliteit te maken.

En hoe test je nu levensduur?

Levensduur meten kost tijd. Pas na lang jaren in de buitenlucht is te bepalen of het zonnepaneel de vereiste levensduur haalt of een verbetering effectief genoeg was.

Gelukkig zijn er zijn standaard testmethodes, die helpen de levensduur te voorspellen, Accelerated Lifetime Tests (ALT). Deze testmethoden proberen het dominante faalmechanisme te versnellen. Ze zijn erg belangrijk om resultaten van verbeteringen te kunnen meten. ALT tests zijn genormaliseerd en worden ook door de industrie gebruikt (zie kader).

Naarmate er meer data beschikbaar komt in real life, kunnen ALT testen geverifieerd worden. Er kan een statistisch verband gelegd worden tussen de uitkomst van een ALT test en de werkelijke levensduur. Met dit mathematische model kan dan de levensduur worden voorspeld. Wat het complex maakt is dat alle materialen en processtappen in zekere mate invloed hebben op de levensduur en op de nauwkeurigheiod van je mathematische model. Daarom worden alle materialen en processen onderzocht en gevalideerd door Solliance Solar Research.

Resultaten uit onderzoek

Voor flexibele zonnecellen zijn de gebruiksomstandigheden anders dan voor conventionele, rigide panelen. Flexibele zonnecellen worden als flexibel eindproduct mechanisch en thermische belast. Dat vraagt om andere testmethodes. Maar omdat flexibele zonnecellen ook industrieel verwerkt kunnen worden in bestaande (bouw-) materialen, onderzoeken we ook de effecten van mechanische en thermische belasting tijdens dit productieproces.

Figuur 1 laat de efficiëntie van CIGS in een Damp Heat test zien. Van cellen met barrièrelaag en zonder barrièrelaag is de conversie-efficiëntie regelmatig gemeten na verblijf in een klimaatkast bij 85 graden Celsius en een relatieve luchtvochtigheid van 85% . Zie ook kader voor een beknopt overzicht een aantal ALT tests.

Dit geldt des te meer voor het onderzoek en de ontwikkeling van commerciële perovskiet-zonnecellen. Shared Research Program Perovskite based Solar Cells (PSC) onderzoekt systematisch de degradatiemechanismen van PSC’s. Naast intrinsieke problemen, hoe verschillende materialen op elkaar reageren en de stabiliteit beïnvloeden, richten we ons ook op stabiliteit aan externe factoren zoals UV-licht of vocht.

Het perovskite team heeft ontdekt dat allerlei factoren, zoals de configuratie van de lagen, de perovskietsamenstelling, het type lagen en elektroden, van invloed hebben op de levensduur en de invloed van externe effecten verminderen. Al deze factoren moeten worden meegenomen als we werken naar een betere stabiliteit en levensduur.

Op dit moment blijft de beste configuratie op 93% van de initiele efficientie,  na 3000 uur bij 85 ° C in een inerte atmosfeer. Dat is aanzienlijk beter dan cellen zonder de beschermende barrière. “Op basis van onze kennis is dit het beste wereldwijde resultaat tot nu toe voor de thermische stabiliteit van inverted perovskietcellen, zowel voor van verouderingstijd als stabiliteit van efficiëntie bij veroudering”, aldus Mehrdad Najafi, onderzoeker in het Shared Research Program PSC.

Figuur 1. Testresultaten van samples CIGS met PET beschermingsfolie in een Damp Heat test, met enkel PET folie (blauw) en PET folie met barrièrelaag (oranje)

Figuur 2. Testresultaten van Heat load test op perovskietcellen met electron-transport s-ALD barrière

Ontwikkelingen van nieuwe standaard

Flexibele zonnecellen hebben unieke eigenschappen waar in de test voor rigide modules gewoon niet in is voorzien. Toch zijn er nog geen aparte gestandaardiseerde tests voor flexibele zonnemodules, waardoor de tests voor conventionele panelen ook voor flexibele zonnecellen gebruikt worden. Solliance Solar Research onderzoekt of nieuwe test methoden gebruikt kunnen worden (zie Nieuwe test voor flexibele solar), allereerst om faalmechanismes te onderzoeken en daarmee levensduuronderzoek te onderbouwen. Later kan dit onderzoek bijdrage in de ontwikkeling van standaardtest voor flexibele zonnemodules.

Voetnoten