Gepubliceerd op: 8 maart 2025 / Bijgewerkt op: 8 maart 2025 – Auteur: Konrad Wolfenstein
Perovskiet-zonnecellen: De potentie van transparante fotovoltaïsche cellen voor moderne gebouwen en PV-projecten – Afbeelding: Xpert.Digital
Transparante energietransitie: elektriciteitsopwekking via innovatieve raamtechnologie
Perovskiet-zonnecellen: de makers van de toekomst voor slimme ramen
De ontwikkeling van transparante, zeer efficiënte zonnecellen opent nieuwe perspectieven voor de integratie van fotovoltaïsche energie in gebouwen. Perovskiet-zonnecellen zijn de afgelopen jaren met name naar voren gekomen als een veelbelovende kandidaat voor deze toepassing. Met rendementen tot 31,6 procent, de mogelijkheid van transparante ontwerpen en kosteneffectieve productie, zouden ze het gebruik van zonne-energie kunnen revolutioneren. Huidig onderzoek toont aan dat de voorheen problematische stabiliteit van deze cellen aanzienlijk is verbeterd. Toepassingen als slimme ramen, die niet alleen elektriciteit opwekken maar ook hun transparantie kunnen aanpassen aan de omgevingsomstandigheden, zijn bijzonder veelbelovend.
Geschikt hiervoor:
Grondbeginselen van perovskiet-zonneceltechnologie
Perovskiet-zonnecellen vertegenwoordigen een relatief nieuwe ontwikkeling in de fotovoltaïsche technologie, met intensief onderzoek dat pas in 2009 van start ging. Ze danken hun naam aan het mineraal perovskiet, waarvan ze de karakteristieke kristalstructuur vertonen. Deze zonnecellen zijn gebaseerd op zogenaamde halide-perovskieten, een hybride materiaal dat is samengesteld uit positief geladen organische componenten zoals methylammoniumkationen en anorganische metaalzouten zoals loodjodide. Hun unieke materiaalsamenstelling en structuur verschillen fundamenteel van traditionele siliciumzonnecellen, waardoor ze een veelbelovende kandidaat zijn voor de toekomst van zonne-energie.
De functionaliteit van perovskiet-zonnecellen berust op hun uitstekende vermogen om zonlicht om te zetten in elektrische energie. Wetenschappers van het onderzoekscentrum in Jülich hebben door middel van nieuwe fotoluminescentiemetingen ontdekt dat vrije ladingsdragers in perovskiet-zonnecellen waarschijnlijk uitzonderlijk goed beschermd zijn tegen verval, wat een belangrijke reden zou kunnen zijn voor hun hoge efficiëntie. De levensduur van aangeslagen ladingsdragers in het materiaal is een cruciale factor voor de efficiëntie van deze zonnecellen, omdat deze bepaalt hoe lang de door licht vrijgekomen elektronen beschikbaar blijven en kunnen bijdragen aan de energieopwekking.
De afgelopen jaren heeft de technologische ontwikkeling van deze zonnecellen indrukwekkende vooruitgang geboekt. Waar de eerste perovskiet-zonnecellen een bescheiden rendement van slechts 4 procent hadden, behalen de nieuwste modellen regelmatig rendementen van meer dan 20 procent. Het Fraunhofer Instituut behaalde zelfs een recordwaarde van 31,6 procent, terwijl het Duitse bedrijf Qcells een rendement van 28,6 procent bereikte.
Voordelen van transparante perovskiet-zonnecellen
Het meest opvallende kenmerk van perovskiet-zonnecellen ten opzichte van conventionele siliciummodules is hun potentieel voor transparantie in combinatie met een hoog rendement. Deze eigenschap opent geheel nieuwe toepassingsmogelijkheden, met name op het gebied van in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche systemen. Transparante of semi-transparante zonnecellen kunnen in raamoppervlakken worden geïntegreerd, waardoor gebouwen niet alleen licht binnenlaten, maar tegelijkertijd ook elektriciteit opwekken.
De mate van transparantie kan tijdens het productieproces worden aangepast aan de eisen, hoewel moet worden opgemerkt dat de energieomzettingsrendement afneemt naarmate de transparantie toeneemt. Het hoogst gemeten rendement voor transparante versies is momenteel een opmerkelijke 17,9 procent. Het IMPRESSIVE-onderzoeksproject toonde aan dat een combinatie van technologieën zonne-energie kan omzetten met een rendement van 14 procent bij een gemiddelde lichtdoorlatendheid van meer dan 55 procent. Semi-transparante UV-perovskietcellen bereiken zelfs een rendement van meer dan 10 procent bij een lichtdoorlatendheid van ongeveer 60 procent.
Naast hun transparantie bieden perovskiet-zonnecellen nog andere opmerkelijke voordelen. Ze zijn relatief goedkoop en eenvoudig te produceren, net als dunnefilm-zonnepanelen. De productie is aanzienlijk minder energie-intensief dan die van silicium, omdat perovskieten kunnen worden geproduceerd met behulp van eenvoudige, schaalbare processen zoals roll-to-roll-printing. Bovendien zijn de benodigde grondstoffen over het algemeen gemakkelijk verkrijgbaar, waardoor de materiaalkosten laag blijven.
Een ander cruciaal voordeel is het lichte gewicht en de flexibiliteit van perovskiet-zonnecellen. Ze kunnen als ultradunne lagen op diverse substraten worden aangebracht, waardoor hun toepassingsmogelijkheden aanzienlijk worden uitgebreid. Deze eigenschap maakt innovatieve toepassingen mogelijk in draagbare apparaten, voertuigen of in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche oplossingen zoals zonnevensters of gevelmodules.
Innovatieve toepassingen in gebouwintegratie
De mogelijkheid om perovskiet-zonnecellen transparant te maken, maakt ze bijzonder aantrekkelijk voor in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV), waarbij zonnecellen traditionele bouwmaterialen zoals ramen vervangen. Door het perovskiet tussen glasplaten in te bedden, kunnen de zonnecellen fungeren als de gevel en muur van een gebouw, terwijl ze tegelijkertijd elektriciteit opwekken voor eigen gebruik of teruglevering aan het elektriciteitsnet.
Panasonic Holdings presenteerde een concreet voorbeeld van deze innovatieve toepassing: semi-transparante glazen balustrades met perovskiet-zonnecellen op het balkon van een modelwoning ten zuiden van Tokio. Deze prototypes tonen het potentieel aan van de integratie van perovskiettechnologie in alledaagse bouwelementen. Natuurkundigen in Leipzig hebben bovendien een transparante zonnecel ontwikkeld die rechtstreeks op een raam kan worden aangebracht door middel van dampafzetting, waardoor complete gevels in principe in energiecentrales kunnen worden veranderd.
De ontwikkelingen op het gebied van thermochrome of 'slimme' ramen zijn bijzonder veelbelovend. Wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een functionele uitbreiding ontwikkeld voor een fotovoltaïsch raam dat van kleur en transparantie verandert met temperatuurschommelingen en elektriciteit kan opwekken wanneer het verduisterd is. De omkeerbare schakelaar naar een gekleurd zonnevenster is gebaseerd op een faseovergang van ultradunne perovskietlagen.
In hun transparante toestand hebben perovskietkristallen een kubische structuur en zijn ze grotendeels doorzichtig. Bij een temperatuur van ongeveer 105 graden Celsius ondergaan ze echter een faseovergang naar een minder transparante, maar fotovoltaïsch actieve kristalstructuur. Deze blokkeert ongeveer twee derde van het zichtbare licht en behaalt een rendement van zeven procent. Wanneer het kristal afkoelt tot kamertemperatuur en wordt blootgesteld aan wat vocht, kan deze faseovergang worden omgekeerd en wordt het raam weer transparant.
Geschikt hiervoor:
Thermochrome eigenschappen voor klimaatgeoptimaliseerde gebouwen
De thermochrome eigenschappen van ramen op basis van perovskiet kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan de energie-efficiëntie van gebouwen. Net als meekleurende zonnebrillen kunnen deze ramen van kleur veranderen als reactie op temperatuurschommelingen, waarbij de temperatuur – in tegenstelling tot de lichtintensiteit bij zonnebrillen – de bepalende factor is. Naarmate de temperatuur stijgt, kleurt de transparante ruit geleidelijk geel, oranje, rood of bruin. Hoe warmer het wordt, hoe donkerder het glas wordt, waardoor de ruimte automatisch afkoelt zonder dat airconditioning nodig is.
Dit mechanisme kan aanzienlijk bijdragen aan de vermindering van het energieverbruik voor verwarming en koeling. Aangezien verwarming en warm water verantwoordelijk zijn voor 25 procent van de CO2-uitstoot in Oostenrijk, en een studie van de Universiteit van Birmingham voorspelt dat het aantal koelapparaten wereldwijd tegen 2050 zal verviervoudigen tot 14 miljard, kunnen dergelijke slimme raamoplossingen een belangrijke bijdrage leveren aan de klimaatbescherming.
Uitdagingen en oplossingen
Ondanks hun veelbelovende eigenschappen kampen perovskiet-zonnecellen met diverse uitdagingen die hun wijdverspreide commerciële toepassing tot nu toe hebben beperkt. Een belangrijk probleem is hun stabiliteit onder realistische omgevingsomstandigheden. Perovskietkristallen hebben de neiging om ongeordend en defect te groeien, wat tot stabiliteitsproblemen kan leiden. Ze bereiken nog niet de levensduur van silicium-zonnecellen en zijn gevoelig voor vochtigheid, licht en warmte. Een significant nadeel is hun lagere weerbestendigheid, aangezien het materiaal kan degraderen onder extreme weersomstandigheden.
Onderzoek heeft echter al aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het overwinnen van deze uitdagingen. Panasonic is er bijvoorbeeld in geslaagd een chemisch stabielere variant van het materiaal te produceren en deze te beschermen tegen de elementen door middel van dubbel glas. Het Belgische onderzoeksinstituut Imec, een partner in het EnergyVille-onderzoeksconsortium, heeft in samenwerking met de Universiteit van Cyprus een doorbraak bereikt in het onderzoek naar perovskiet-zonnepanelen . In een tweejarig buitenonderzoek op Cyprus werd de langetermijnstabiliteit van mini-perovskietmodules aangetoond, die na een jaar buiten een indrukwekkend energierendement van 78 procent behaalden – een waarde die huidige perovskiet-zonnepanelen vaak slechts enkele weken kunnen vasthouden.
Ook op het gebied van recycling is vooruitgang geboekt. Onderzoekers uit Zweden hebben een methode ontwikkeld voor het volledig en milieuvriendelijk recyclen van perovskiet-zonnecellen. In plaats van het giftige dimethylformamide te gebruiken om de cellen te demonteren, zoals voorheen, gebruikt het team water als oplosmiddel om de ontbonden perovskieten af te breken. Alle componenten kunnen vervolgens worden hergebruikt in een nieuwe perovskiet-zonnecel zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties – de gerecyclede zonnecel heeft dezelfde efficiëntie als het origineel.
Er blijven specifieke uitdagingen bestaan voor thermochrome zonnevensters. De relatief hoge faseovergangstemperatuur van iets meer dan 100 graden Celsius zou voor praktische toepassingen verder verlaagd moeten worden. Bovendien zou de vochtigheid die nodig is voor omkeerbaar schakelen de stabiliteit van de perovskietlagen op lange termijn kunnen aantasten. Omdat de samenstelling van perovskietmaterialen echter aanzienlijk kan worden gevarieerd, zouden verdere studies materiaalmengsels zonder deze nadelen kunnen identificeren en zo de efficiëntie verder kunnen verhogen.
Marktpotentieel en toekomstperspectieven
De combinatie van flexibiliteit, kostenvoordelen en een uitstekende efficiëntie maakt perovskiet-zonnecellen een veelbelovende technologie voor de energietransitie. Marktonderzoekers van IDTechEx voorspellen dat de markt voor perovskiet-fotovoltaïsche cellen in 2035 een jaarlijkse omzet van bijna 12 miljard dollar zal bereiken. Deze technologie zou siliciumgebaseerde modules in de toekomst kunnen vervangen als de dominante fotovoltaïsche technologie.
De combinatie van perovskiet met silicium in tandemcellen lijkt bijzonder veelbelovend, met potentiële rendementen tot wel 43 procent – een aanzienlijke verbetering ten opzichte van modules van puur silicium. Perovskietmaterialen kunnen specifiek worden aangepast om verschillende golflengten van zonlicht efficiënt te benutten: terwijl perovskiet licht met korte golflengten (blauw) beter absorbeert, blinkt silicium uit in het lange golflengtebereik (rood).
Transparante perovskiet-zonnecellen openen geheel nieuwe perspectieven voor in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche systemen. Om passieve ramen zo snel mogelijk te vervangen door energieopwekkende ramen, werken onderzoekers aan het optimaliseren van de prestaties van deze technologieën en het versnellen van de marktrijpheid van transparante PV-cellen. Als de resterende uitdagingen met betrekking tot stabiliteit en duurzaamheid kunnen worden overwonnen, zouden op perovskiet gebaseerde zonnevensters in de nabije toekomst een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan decentrale energieopwekking in stedelijke gebieden.
Stedelijke energietransitie: energieopwekkende ramen met perovskiettechnologie
Perovskiet-zonnecellen, met name de transparante varianten voor raamtoepassingen , vertegenwoordigen een veelbelovende technologie voor de toekomst van de fotovoltaïsche energie. Dankzij hun combinatie van hoge efficiëntie, transparantie, lage productiekosten en flexibiliteit bieden ze aanzienlijke voordelen ten opzichte van conventionele silicium-zonnecellen. De mogelijkheid om gevels en ramen van gebouwen om te vormen tot energiebronnen zonder hun primaire functie aan te tasten, zou een cruciale bijdrage kunnen leveren aan de energietransitie in stedelijke gebieden.
Recente vorderingen in het verbeteren van de stabiliteit en levensduur van deze cellen onder realistische omgevingsomstandigheden zijn veelbelovend en effenen de weg voor bredere commerciële toepassing. De thermochrome eigenschappen van sommige perovskiet-gebaseerde ramen lijken bijzonder innovatief, omdat ze niet alleen elektriciteit kunnen opwekken, maar ook kunnen bijdragen aan de energie-efficiëntie van gebouwen door hun transparantie aan te passen.
Hoewel er nog steeds uitdagingen zijn, wijst de snelle ontwikkeling van perovskiettechnologie in de afgelopen jaren erop dat transparante, zeer efficiënte zonnecellen binnenkort een belangrijke rol kunnen spelen in de architectuur en energievoorziening. Deze innovatieve technologie zou de toekomst van de bouw fundamenteel kunnen veranderen, door gebouwen te creëren waarvan de ramen en gevels niet alleen esthetisch aantrekkelijk zijn, maar ook actief bijdragen aan de energieproductie.
Geschikt hiervoor:
Uw wereldwijde partner voor marketing en bedrijfsontwikkeling
☑️ onze zakelijke taal is Engels of Duits
☑️ Nieuw: correspondentie in uw nationale taal!
Konrad Wolfenstein
Ik ben blij dat ik beschikbaar ben voor jou en mijn team als een persoonlijk consultant.
U kunt contact met mij opnemen door het contactformulier hier in te vullen of u gewoon te bellen op +49 89 674 804 (München) . Mijn e -mailadres is: Wolfenstein ∂ Xpert.Digital
Ik kijk uit naar ons gezamenlijke project.
