Comparative Technical-Economic Analysis of Perovskite-Silicon Tandem Cells vs. Last-Generation Commercial N-Type Technologies (TOPCon, HJT, and BC)

Stel je de zon voor als een gigantische, onvermoeibare batterijoplader die op onze planeet neerknalt. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd de ultieme "zonnevanger" te bouwen—een apparaat dat zoveel mogelijk van die energie grijpt en deze omzet in elektriciteit om onze lampen, auto's en steden van stroom te voorzien. De meest populaire vanger tot nu toe is gemaakt van silicium, hetzelfde materiaal als dat in zand en computerchips zit. Denk aan siliciumcellen als een enkele laag spons: ze zijn geweldig in het opzuigen van water, maar ze hebben een limiet aan hoeveel ze kunnen vasthouden voordat ze beginnen te druppelen. In de wereld van zonne-energie wordt deze limiet de "Shockley-Queisser-limiet" genoemd, een theoretisch plafond waarbij een enkele laag spons niet meer nat kan worden, hoe hard hij ook probeert.

Om dit plafond te doorbreken, bouwen onderzoekers nu "tandem"-vangers. Stel je voor dat je twee verschillende sponzen op elkaar stapelt: een bovenste laag gemaakt van een nieuw, magisch materiaal genaamd perovskiet die hoogenergetisch licht opvangt, en een onderste laag van silicium die de rest opvangt. Dit tweelaagse team belooft veel meer energie op te zuigen dan een enkele spons ooit zou kunnen. Maar hier is de grote vraag: is deze hippe nieuwe dubbele spons klaar om de oude, betrouwbare enkele sponzen die we vandaag de dag gebruiken te vervangen, of is het gewoon een cool wetenschappelijk experiment dat te duur en te kwetsbaar is voor gebruik in de echte wereld? Dit is de puzzel die een nieuwe studie probeert op te lossen.

De Grote Zonne-energie Showdown: De Oude Garde versus de Nieuwe Uitdager

In deze studie zet auteur David Zarco González een enorme digitale racebaan op om de huidige kampioenen van zonne-energie te vergelijken met de opkomende ster van de toekomst. De "Oude Garde" bestaat uit drie soorten geavanceerde siliciumcellen die de markt nu al domineren: TOPCon, HJT en BC. Denk aan hen als de ervaren marathonlopers—betrouwbaar, snel en bewezen in staat om de race te voltooien zonder te struikelen. De "Nieuwe Uitdager" is de Perovskiet-Silicium Tandemcel, een krachtig tweetal dat belooft sneller te rennen dan wie dan ook, maar nog aan het leren is hoe ze op hun voeten moeten blijven staan.

De studie keek niet alleen naar wie het snelst is in een laboratorium; het simuleerde hoe deze technologieën zouden presteren over een periode van 30 jaar op drie zeer verschillende locaties in de echte wereld: de warme, zonnige velden van Córdoba, Spanje; de wisselvallige vlaktes van Zuid-Zwitserland/Italië; en de bewolkte, koele luchten van Utrecht, Nederland. Ze testten ook twee verschillende opstellingen: gigantische zonneparken op de grond en zonnepanelen op industriële daken.

De Resultaten: Wie wint de race?

Toen de simulaties de cijfers verwerkten, waren de resultaten een mix van "wow" en "wacht eens even".

Ten eerste lieten de Perovskiet-Silicium Tandemcellen hun ongelooflijke snelheid zien. In de simulaties genereerden ze in bijna elk scenario de meeste elektriciteit over een periode van 30 jaar. Bijvoorbeeld, in het zonnige Spaanse grondgebonden zonnepark produceerden de Tandemcellen ongeveer 57.154,6 MWh over drie decennia, waarmee ze de beste siliciumloper (HJT) versloegen, die 56.172,6 MWh produceerde. Omdat ze zo efficiënt zijn, heb je er minder nodig om dezelfde hoeveelheid stroom te krijgen, wat geld bespaart op de "Balance of System" (de bedrading, rekken en het land dat nodig is om ze omhoog te houden).

Er is echter een addertje onder het gras. De studie vond dat hoewel de Tandemcellen meer energie produceren, ze momenteel veel duurder zijn in aanschaf en installatie. De kosten van de Tandemmodules worden geschat op 0,24 €/Wdc, terwijl de siliciumrivalen veel goedkoper zijn met 0,115 €/Wdc voor TOPCon en BC, en 0,125 €/Wdc voor HJT.

Vanwege deze hoge prijs is de "Levelized Cost of Energy" (LCOE)—wat in essentie de gemiddelde prijs is die je betaalt voor elke eenheid elektriciteit gedurende de levensduur van het project—vaak heel dicht bij, of zelfs iets hoger dan, de siliciumopties, afhankelijk van de locatie.

• In Spanje (Grond) was de Tandem LCOE 40,72 €/MWh, iets hoger dan de 40,17 €/MWh van TOPCon.
• In Italië (Grond) was de Tandem 60,10 €/MWh, wat eigenlijk iets hoger is dan de 59,90 €/MWh van TOPCon.
• In de Nederland (Grond) was de Tandem 85,16 €/MWh, wat vrijwel identiek is aan (en technisch gezien een fractie van een cent hoger is dan) de 85,09 €/MWh van TOPCon.

De studie suggereert dat de Tandemcellen er alleen een betere deal van worden in plaatsen waar de zon zwakker is of het weer koeler, zoals in Nederland, omdat hun superieure efficiëntie hen helpt om meer vermogen uit het schamele licht te persen. Maar in de heetste, zonnigste plekken heft de extra kost van de Tandemcellen vaak de extra opgewekte energie weer op.

Het Probleem van de "Onvoltooide Zaken"

Het artikel is zeer duidelijk over één groot obstakel: Stabiliteit. De auteur wijst erop dat hoewel de Tandemcellen snel zijn, ze misschien niet gebouwd zijn om de volledige race van 30 jaar uit te zitten. De studie schat dat Tandemcellen kunnen degraderen (verslechteren) met een snelheid van 1,0–2,0% per jaar, terwijl de siliciumlopers veel langzamer degraderen, namelijk ≤0,40% voor TOPCon en ≤0,25% voor HJT.

Stel je een hardloper voor die de eerste mijl ongelooflijk snel sprint, maar daarna elk jaar begint te manken en te vertragen. De siliciumlopers zijn als schildpadden: ze beginnen gestaag en houden decennialang een constant tempo aan. De studie merkt op dat voor banken en investeerders om de Tandemcellen te vertrouwen met grote leningen (non-recourse financiering), ze bewijs nodig hebben dat deze cellen niet na 10 jaar uit elkaar vallen. Momenteel komen de Tandemcellen slechts met een garantie van 10–15 jaar voor pilots, vergeleken met de 30-jarige garantie die de siliciumreuzen bieden.

Het Eindoordeel

Dus, wat is de eindscore? De studie concludeert dat voor nu de TOPCon-siliciumtechnologie de koning is van de kosteneffectiviteit voor grote zonneparken, terwijl HJT de kampioen is voor warme klimaten omdat het beter tegen hitte kan. De Back Contact (BC)-cellen zijn geweldig voor het opvangen van licht zonder schaduwen.

De Perovskiet-Silicium Tandem is de "toekomstige kampioen" met het hoogste potentieel aan snelheid, maar hij heeft de finishlijn nog niet bereikt. De auteur suggereert dat voor Tandemcellen om de markt over te nemen, hun productiekosten moeten dalen tot onder de 0,15–0,18 USD/Wdc (momenteel zijn ze veel hoger), en dat ze moeten bewijzen dat ze 30 jaar lang de elementen kunnen overleven zonder hun vermogen te verliezen. Tot die tijd zijn de betrouwbare, bewezen siliciumlopers nog steeds de beste gok voor het bouwen van zonneparken vandaag de dag.