Zonnepanelen met tandemcellen: hoger rendement door meerdere lagen

Wat is het?

Een zonnepaneel met tandemcellen is een geavanceerd type zonnepaneel dat twee of meer lagen zonnecellen op elkaar stapelt.

Elke laag is gemaakt van een ander materiaal en is gespecialiseerd in het omzetten van een specifiek deel van het zonlicht in elektriciteit. Dit ontwerp bootst het principe na van een tandemfiets, waarbij twee personen samenwerken om vooruit te komen. Deze technologie is de logische volgende stap in de evolutie van zonnepanelen. Waar traditionele panelen met één laag silicium een theoretisch maximumrendement hebben, doorbreken tandemcellen deze barrière.

Ze vangen simpelweg meer energie uit hetzelfde zonlicht. Je kunt het vergelijken met een visnet met een grove en een fijne maas.

Meerdere lagen voor meer energie

Het grove net vangt de grote vissen, het fijne net vangt de kleine visjes die door het grove net glippen.

Zo verlies je veel minder 'vangst'. De bovenste laag in een tandemcel is vaak van perovskiet, een materiaal dat goed is in het absorberen van hoog-energetisch (blauw en ultraviolet) licht. De onderste laag is meestal van het traditionele silicium, dat efficiënt het resterende rode en infrarode licht opvangt.

Deze combinatie zorgt ervoor dat een veel breder spectrum van het zonnespectrum wordt benut. In een normaal paneel gaat de overtollige energie van blauwe lichtdeeltjes verloren als warmte. In een tandemcel wordt die energie wél nuttig gebruikt door de bovenste laag.

Hoe werkt het precies?

Het zonlicht valt eerst op de bovenste, vaak dunne, perovskiet-laag. Deze laag pakt de 'makkelijke' hoge-energiefotonen en zet ze direct om in elektriciteit.

Het resterende licht, met lagere energie, gaat door naar de silicium-laag eronder.

De silicium-laag doet zijn vertrouwende werk en zet dit resterende licht om. De elektrische stroom uit beide lagen wordt vervolgens samengevoegd. Het resultaat is een totale stroomopbrengst die aanzienlijk hoger is dan wanneer één laag al het werk moest doen.

De rol van de 'band gap'

De kunst zit in het perfect op elkaar afstemmen van de lagen. De bovenste laag moet voldoende licht doorlaten voor de onderste, maar ook zelf genoeg opvangen.

De elektrische eigenschappen van beide materialen moeten naadloos op elkaar aansluiten. De wetenschappelijke sleutel heet de 'band gap'. Dit is de minimale hoeveelheid energie die een materiaal nodig heeft om een elektron los te maken en stroom te laten vloeien. Elk materiaal heeft een andere, optimale band gap.

Door materialen met verschillende band gaps te combineren, kun je een soort 'energietrap' bouwen.

De perovskiet-laag vangt de energie van de hoge treden, de silicium-laag vangt de energie van de lage treden. Zo verlies je bijna geen energie meer. Maar wist je dat zonnepanelen die energie uit regen halen ook bestaan?

De wetenschap erachter

De wetenschap achter tandemcellen draait om materiaalkunde en kwantumfysica. Onderzoekers experimenteren met allerlei materiaalcombinaties, zoals perovskiet-silicium, maar ook met III-V halfgeleiders (zoals galliumarsenide) voor speciale toepassingen.

Perovskiet is een ster in deze combinatie omdat het goedkoop en makkelijk te produceren is via een soort inkt die je kunt drukken. Bovendien kun je de chemische samenstelling van perovskiet aanpassen om precies de gewenste band gap te krijgen. De grootste uitdaging is de stabiliteit.

Perovskiet kan gevoelig zijn voor vocht en hitte. Onderzoekers werken hard aan coatings en nieuwe samenstellingen om de levensduur net zo lang te maken als die van traditionele siliciumpanelen.

Van lab naar dak

In laboratoria zijn rendementen van boven de 30% al behaald met tandemcellen, ver boven de 22-24% van de beste commerciële siliciumpanelen.

De uitdaging is nu om deze hoge efficiëntie op grote schaal, betrouwbaar en betaalbaar te produceren. De eerste commerciële productielijnen zijn in aanbouw. Verwacht wordt dat de eerste generatie tandempanelen binnen enkele jaren op de markt verschijnt, eerst in premium segmenten en later voor de brede consument.

Voordelen en nadelen

Het grootste voordeel is het hogere rendement per vierkante meter. Dit is ideaal als je beperkte dakruimte hebt, zoals op een klein schuin dak, een dakkapel of een plat dak waar je ook ruimte voor een dakterras wilt houden.

Een tweede voordeel is toekomstbestendigheid. Je installeert dan de meest efficiënte technologie van dit moment, waardoor je systeem langer optimaal blijft presteren en je minder snel een upgrade nodig hebt.

Daarnaast kunnen tandempanelen in de toekomst mogelijk goedkoper worden in productie dan hoog-rendement siliciumpanelen, omdat er minder zuiver silicium nodig is. De nadelen zijn er ook. De technologie is nieuw en dus aanvankelijk duurder.

De keerzijde

De initiële investering zal hoger zijn dan voor standaardpanelen. De complexiteit van twee materialen op elkaar brengt productie-uitdagingen met zich mee.

De garantie op langdurige prestaties (25+ jaar) moet nog in de praktijk bewezen worden, vooral voor de perovskiet-laag. De markt is nog volop in ontwikkeling. Het aanbod is beperkt en niet elke installateur heeft er ervaring mee. Het kan zijn dat je moet zoeken naar een gespecialiseerde leverancier.

Voor wie relevant?

Zonnepanelen met tandemcellen, zoals perovskiet zonnepanelen, zijn vooral relevant voor huiseigenaren met een beperkt dakoppervlak die maximaal rendement willen. Denk aan een klein rijtjeshuis, een appartement met een beperkt balkon of een monumentaal pand waar je weinig panelen kwijt kunt.

Ook voor mensen die willen investeren in de toekomst en de nieuwste technologie in huis willen halen, zijn deze panelen interessant.

Je zet dan letterlijk een voorsprong op de buren. Voor grote, onbeperkte daken waar ruimte geen rol speelt, is de meerwaarde kleiner. Daar kun je met extra standaardpanelen vaak hetzelfde vermogen halen tegen lagere kosten.

Overwegingen voor de Nederlandse markt

In Nederland, met zijn relatief lage zonintensiteit, is elk extra procentje rendement welkom. Tandemcellen kunnen hierdoor een relatief grotere winst opleveren dan in zonnigere landen.

Houd rekening met de beschikbaarheid. Vraag bij installateurs expliciet naar ervaring met tandem- of perovskiet-silicium technologie. Laat je goed informeren over de garantievoorwaarden, die mogelijk anders zijn dan voor traditionele panelen. Check ook of er al specifieke subsidies of stimuleringsregelingen zijn voor deze innovatieve technologie, zoals GaN-technologie voor omvormers. De overheid wil de energietransitie versnellen en kan hier mogelijk op inspelen.