Leybold ondersteunt de ZSW bij complexe coatingoplossingen voor nieuwe zonnecellen. 16 september 2022
4 MIN READ
De energierevolutie mogelijk maken
Het doel van de energierevolutie in Duitsland is om de particuliere en industriële energievraag uit hernieuwbare energie tegen 2045 te dekken. De gespannen situatie in Europa toont aan dat dit zowel voor het milieu als voor de zelfvoorziening van de economie van de hele Europese Unie in het algemeen gunstig is. Het is dus de taak om de productie van elektriciteit uit wind, water en zon te bevorderen.
Een van de toonaangevende instituten voor energieonderzoek en -ontwikkeling in Europa is het Center for Solar Energy and Waterstoff Research (Zentrum für Sonnenenergie – und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg [ZSW]) in Stuttgart. De ZSW heeft zich tot doel gesteld om in 2045 in Duitsland een energievoorziening van 100% uit hernieuwbare energiebronnen te realiseren.
Als hernieuwbare energiebronnen op basis van hun beschikbaarheid worden gewogen, wordt zonne-energie als kerntechnologie beschouwd. Gewoon omdat de stralingskracht van de zon beter kan worden gepland dan de kracht van de wind. Een bijkomend voordeel is dat zonne-energiecentrales decentraal kunnen worden ingezet, d.w.z. buiten de kust in offshore windparken of getijdencentrales in heel Duitsland.
Naast de uitbreiding van de oppervlakken voor zonneparken, op de daken van huizen enz. is het ook belangrijk om het rendement van elke afzonderlijke zonnecel te verhogen. Met andere woorden, om meer licht te absorberen van het invallende zonlicht.
De uitdaging: een conventionele silicium zonnecel bereikt zijn theoretische prestatiegrens bij een rendement van 29% (Shockley-Queisser-grens). Dit betekent dat maximaal 29% van de invallende lichtenergie kan worden omgezet in elektriciteit.
Samenwerken om het doel te bereiken:
ZSW ontwikkelt innovatieve tandem zonnecel, Leybold zorgt voor de technologie voor coating
Deze natuurlijke limiet van silicium kan met een tandemzonnecel worden overwonnen.
In veelbelovende tests uitgevoerd door onderzoekers van CSEM en EPFL kon met een tandemzonnecel een rendement van bijna 31,25% worden bereikt. Tandemzonnecellen worden gekenmerkt door het gebruik van twee absorberende materialen met verschillende bandafstanden die de verschillende spectrale bereiken van het zonnespectrum absorberen en daardoor efficiënter gebruiken. Dit leidt tot een aanzienlijke kostenverlaging voor elke geproduceerde kWh. Merk ook op dat organometalen halogeniden, zoals methylammoniumjodide, doorgaans worden gebruikt.
Op dit moment bereikte ZSW echter zijn grenzen met zijn eigen technische apparatuur, omdat het werken met perovskite snel kan leiden tot ongewenste chemische reacties zoals chemische brandwonden. Daarom werd een partner uit de industrie gezocht die jarenlange ervaring in installatiebouw en vacuümexpertise kon aantonen.
Zo begon de samenwerking tussen ZSW en Leybold. ZSW is een expert op het gebied van zonne-energietechnologie en Leybold is een expert op het gebied van hoogvacuüm dunnelaagcoatings. Alle systemen zijn uitgerust met in-house ontwikkelde vacuümcomponenten.
Het doel van deze samenwerking is om een experimentele vacuümopstelling te creëren, zodat hypothesen over de werking van de tandemzonnecel zo snel mogelijk kunnen worden getest. Hiervoor zijn vier proceskamers met verschillende coatingmethoden gebouwd en geïnstalleerd. Dit was een spannende uitdaging, omdat de meeste systemen in de installatietechniek slechts één proceskamer vereisen.
Volledig functionele experimentele lijn in een vacuüm: de Leybold UNIVEX C 900
De UNIVEX-serie omvat multifunctionele coatingsystemen voor de productie van functionele PVD-coatings. Kenmerken zoals het modulaire ontwerp, variabele kamergroottes en talrijke accessoires maken de coatingsystemen flexibeler. In de afgelopen 50 jaar heeft Leybold wereldwijd meer dan 800 van deze unieke systemen geïnstalleerd.
De Leybold UNIVEX C 900 biedt de nodige functionaliteit voor deze taak en is aangepast aan de behoeften van de ZSW.
Over het algemeen kunnen twee overkoepelende toepassingen van de systemen worden afgeleid:
- Opstellingen voor experimenten en onderzoek die geoptimaliseerd zijn voor flexibiliteit, zodat ze zo veel mogelijk testscenario's kunnen vertegenwoordigen,
- Systemen voor de productie die een zo groot mogelijk aantal substraten op een outputgeoptimaliseerde manier coaten.
Het bijzondere aan de UNIVEX C 900 op de ZSW is de flexibiliteit door de modulair opgestelde proceskamers.
In de vier kamers kunnen de volgende coatingmethoden worden uitgevoerd:
- Proceskamer 1: Sputterkamer - 3 sputterbronnen brengen de coating op het substraat aan.
- Proceskamer 2: Thermisch-organische verdampingskamer.
- Proceskamer 3: elektronenstraalverdamperkamer - kan materialen smelten bij zeer hoge temperaturen. Het is bij uitstek geschikt voor materiaalbesparende toepassingen, bijvoorbeeld omdat het te verwerken materiaal duur is.
- Proceskamer 4: Deze is vooral belangrijk voor de tandemzonnecel, omdat het de kamer is waarin perovskites verdampen. Omdat ze agressief kunnen zijn voor andere materialen en voor mensen, ligt de focus op de veiligheid van de operator.
Om veiligheidsredenen, om tijd te besparen en om de materialen te beschermen tegen water (dat in de omgevingslucht aanwezig is), is het mogelijk om het systeem volledig onder vacuüm te gebruiken dankzij twee extra kamers:
- Een transferkamer met een telescopische robotarm. Deze kamer bevindt zich in het hart van het hele systeem tussen de proceskamers: zijn taken zijn het verplaatsen van de substraten door het systeem met millimeterprecisie.
- Een magazijn: de opslagruimte waar substraten kunnen worden bewaard. Hier haalt de robotica de aanvulling op wanneer het vorige substraat definitief is verwerkt.
De energierevolutie kan alleen slagen als experts samenwerken in verschillende sectoren
De verdamping van perovskite zonnecellen is een belangrijke toepassing voor toekomstige technologieën en hernieuwbare energie. Naast de verdere ontwikkeling van deze specifieke processen is er een langdurig partnerschap gepland tussen ZSW en Leybold, dat regelmatig met verschillende teams van dit en andere instituten samenwerkt aan nieuwe projecten.
Eenmaal ingesteld maakt de UNIVEX C 900 een volledig geautomatiseerde procesregeling met zeer reproduceerbare resultaten mogelijk. We zijn ervan overtuigd dat de ZSW het UNIVEX-systeem zal gebruiken om kennis te vergroten door middel van een hoge experimentatiedichtheid en dat we samen bijdragen aan de succesvolle energietransitie.
We kijken uit naar het ZSW en vele andere onderzoeksinstituten om de energietransitie van de wereld te ondersteunen. Wij zijn ervan overtuigd dat we deze radicale transformatie alleen kunnen beheersen door samen te werken.
Download het volledige verhaal: