ZON-OP. Resultaten en bevindingen van project. Datum Nano Energy Europe in opdracht van Agentschap NL

Transcriptie

1 Resultaten en bevindingen van project ZON-OP Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum 2011 Status Definitief in opdracht van Agentschap NL

2

3 Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon ZON-OP Energie Onderzoek Subsidie Nieuw Economisch Onderzoek NEOT02012 Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

4 Openbaar eindrapport Openbare age Projectnummer : NEOT02012 Projecttitel : Penvoerder en medeaanvragers : Projectperiode : 1 september 2007 t/m 31 december 2008 Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, regeling EOS: Nieuw Energieonderzoek, uitgevoerd door SenterNovem. 1. Samenvatting van de uitgangspunten en de doelstelling van het project en de (eventueel) samenwerkende partijen De opgewekte hoeveelheid energie door zonnecellen varieert als gevolg van verschil in lichtintensiteit. Het verschil in lichtintensiteit wordt veroorzaakt door dag/nacht verandering en door bewolking. Daarnaast varieert de energie vraag in woningen en kantoren. Om die fluctuaties op te vangen is er in Nederland in de meeste gevallen een koppeling aan het elektriciteitsnet. Bij koppeling aan het elektriciteitsnet wordt opgewekte stroom tegen lage tarieven teruggeleverd aan het net, maar op andere momenten tegen hoge tarieven ingekocht. Dit levert een negatieve bijdrage aan de economische terugverdientijd van de investering in zonne-energie. Daarnaast is het onzeker of het over 5-10 jaar nog mogelijk is terug te leveren aan het net, zonder een bijdrage voor de infrastructuur te moeten betalen. Daarom is het wenselijk alle opgewekte energie zelf te gebruiken in de woning of het kantoor. Dit kan door de opgewekte energie op te slaan. Doel van dit project is kennis te verkrijgen van een geïntegreerd systeem voor een zonnecel met geïntegreerde energie opslag, zodat betere benutting van zonne-energie mogelijk wordt. Het werkingsprincipe bestaat uit een zonnecel waarbij direct aan de achterzijde van de actieve lagen van de zonnecel, extra lagen voor de supercondensator worden toegevoegd. In de lagen van de supercondensator kan de opgewekte energie direct tijdelijk opgeslagen worden. 1

5 2. Beschrijving van de behaalde resultaten, de knelpunten en het perspectief voor toepassing. Fase 1 Onderzoek supercap Uit de literatuurstudie is naar voren gekomen dat carbon-based vaste stof elektrodes de meeste potentie bieden. Hierbij kunnen de carbon deeltjes verschillende afmetingen en structuren hebben. Daarnaast is gebleken dat de keuze van het elektrolyt belangrijk is. Met doctorblade depositie zijn diverse lagen gemaakt van carbon deeltjes met een polymere binder. Om degradatie van de elektrodes tegen te gaan is een extra laag van een transitie metaaloxide aangebracht. Fase 2 Onderzoek koppeling supercap aan zonnecel In deze fase is de supercap gekoppeld aan CIS zonnecellen. Na het over elkaar aanbrengen van de lagen was er een lichte diffusie van koolstof in de CIS laag. Dit kon teruggebracht worden door het aanbrengen van een laag transitie metaaloxide. Zonder het transitie metaaloxide laag was er na 100 cycli 20% capaciteitsverlies van de supercap. Fase 4 Onderzoek werking zonnecel met energieopslag Op zonnecellen met steeds dezelfde karakteristieken zijn verschillende varianten van de supercap aangebracht. Met de transisitie metaaloxide laag werden de beste resultaten behaald en is aangetoond dat het mogelijk is met een supercondensator een zonnecel met geïntegreerde energieopslag te maken. Conclusies In het project is aangetoond dat het mogelijk is een zonnecel te maken met geïntegreerde energieopslag. Uit de resultaten is het mogelijk de laagdikte van de supercondensator te bepalen. Om in de toekomst daadwerkelijk zonnecellen met geïntegreerde energieopslag te kunnen ontwikkelen is nog kennis nodig van o.a. productiemethode waarmee carbon deeltjes met gecontroleerde porositeit gemaakt kunnen worden, uniforme coating van de carbon deeltjes met transitie metaaloxiden (zonder zonnecel lagen aan te tasten), grensvlak verschijnselen aan grensvlak tussen supercap en zonnecel. 2

6 3. Beschrijving van de bijdrage van het project aan de doelstellingen van EOS: Nieuw Energieonderzoek Criterium 1: Nieuwheid Nieuwheid van het project De nieuwheid bestaat uit de volgende 4 aspecten: 1. integreren van energieopslag in de zonnecel 2. betere benutting energie door integratie supercondensator in de zonnecel 3. ontwikkeling van supercap zonder vloeibaar elektrolyt 4. alternatieve back-contactering 1. integreren van energieopslag in zonnecel Tot nu toe bestaan er geen zonnecellen met geïntegreerde energieopslag. Voor toepassing in Nederland is het gebruik van externe accu s te duur, en niet direct noodzakelijk door koppeling aan het elektriciteitsnetwerk. De hoge kosten komen door benodigde regelelektronica en kosten van de accu. Door het integreren van een supercondensator voor de energie opslag aan de zonnecel, blijven de meerkosten voor het realiseren van energieopslag beperkt. Door de materialen die gekozen worden voor de supercap (koolstof en polymeer of vaste stof elektrolyt) en de integratie in de zonnecel is geen regelelektronica en elektrode nodig, zodat de extra meerkosten laag blijven. 2. betere benutting energie door integratie supercondensator in de zonnecel Bij lage lichtintensiteiten neemt bij huidige zonnecellen (zoals Silicium en CIS) de energieopbrengst snel af. Dat komt door afname van de spanning, waardoor er een lagere drijvende kracht is om de elektronen (en daarmee stroom) uit de zonnecel te krijgen. Door de supercondensator die direct bij de halgeleider lagen van de zonnecel aangebracht is, ontstaat er een extra drijvende kracht waardoor elektronen als het ware uit de zonnecel getrokken worden. Ophoping van elektronen op het grensblak en bijbehorende recombinatie verliezen worden hierdoor minder. Huidige zonnepanelen leveren deel van een deel van de tijd bij bewolkt weer totaal geen energie (zie figuur 1). Dit deel van de tijd kan verkleind worden. Door de geïntegreerde supercondensator zal naar verwachting de energie opbrengst van een paneel toenemen met > 30%. Daar komt tevens bij dat de gebruiker de energie beter kan benutten. Figuur 1 Typische schommelingen in stroom opbrengst van huidige zonnecellen. De eerste figuur is over het jaar genomen. De tweede figuur over een periode van 72 uur. 3

7 3.ontwikkeling van supercap zonder vloeibaar elektrolyt De huidige supercondensatoren hebben vloeibare elektrolyten. Hierdoor bestaat het risico van schade door oververhitting bij overladen, dus is regelelektronica nodig die overladen voorkomt. Tevens zijn vloeibare elektrolyten slecht bestand tegen temperatuur verhogingen. Bij toepassing direct achter op het zonnepaneel kunnen de temperaturen oplopen tot circa 80 C. Daarom zal in dit project een supercap ontwikkeld worden met een polymeer of vaste stof elektrolyt die stabiel is, bestand is tegen hoge temperaturen en niet gevoelig is voor overladen. 4. alternatieve back-contactering Voor back-contactering (stroomafvoer) in supercondensatoren wordt nu meestal gebruik gemaakt van zilver of platina contacten. Deze materialen hebben een hoge kostprijs. Daarom zal in dit project onderzoek gedaan worden naar back-contactering met geleidend koolstof en/of koper (nadeel risico op migratie) en aluminium (nadeel risico van oxidatie). Hierdoor eenvoudige productie en lage materiaalkosten voor de back-contactering. Technologische risicograad van het project De risicograad van dit project is relatief hoog door hoge innovativiteit van het project. De risico s zijn: het systeem heeft een te hoge interne weerstand, waardoor efficiency afneemt; de polymere of vaste stof elektrolyten hebben onvoldoende geleiding. Door het gekozen concept met een geleidende barrière laag en de gekozen productie techniek, kunnen deze risico s beheerst worden. De geleidende barrière laag verlaagt de interne weerstand. Tevens kan de interne weerstand verlaagd worden door verkleinen van de laagdiktes van het elektrolyt. De verwachting is dat de vaste stof elektrolyten in zeer dunne lagen aangebracht kunnen worden. Mate van innovatie van het project De mate van innovatie van het project is hoog. Alleen in Japan is er een onderzoeksgroep die werkt aan de integratie van een supercondensator in een zonnecel. In Japan wordt daarbij uitgegaan van een Grätzel zonnecel met vloeibare lagen en een supercondensatoren met vloeibare elektrolyten. Doordat het systeem gekoppeld is aan de Grätzel cel, zijn de toepassingsmogelijkheden voorlopig nog beperkt. In Frankrijk is inmiddels onderzoek gestart aan polymere zonnecellen met geïntegreerde batterij. Door het gebruik van de batterij is het ook nodig om een chip toe toevoegen om de het laden van de batterij aan te sturen (batterij management systeem), zodat overladen voorkomen wordt. Daarnaast is de levensduur beperkt. Het systeem dat in dit project gekozen is, kan door gebruik van de barrière laag aan zowel dunnefilm zonnecellen als kristallijn-silicium zonnecellen gekoppeld worden. Daarbij wordt in het project het vloeibare elektrolyt vervangen en wordt een nieuwe methode voor backcontacting ontwikkeld. Criterium 2: Bijdrage aan de verduurzaming van de energiehuishouding Voor efficiënte toepassing van zonne-energie is het belangrijk dat alle in elektriciteit omgezette energie op efficiënte wijze benut kan worden. Door schommelingen in intensiteit van het ingevallen licht e.d. is het dus belangrijk de opgewekte energie die niet direct gebruikt wordt toch efficiënt te gebruiken. Terug levering aan het net is hierbij voor de gebruiker niet altijd de meest rendabele oplossing. 4

8 Bijdrage bestaat uit het reduceren van de terugverdientijd door: 1) voorkomen verschil tussen inkoop en verkoopprijs van elektriciteit; 2) toename elektriciteitsopbrengst met 30%, door ook opladen als lichtintensiteit en daarmee spanning laag is; 3) efficiëntere benutting van eigen opgewekte elektriciteit; 4) voorkomen evt toekomstige kosten om aan het net te mogen leveren. Naar verwachting kunnen de uitkomsten uit dit project de terugverdientijd van de investering met 30-40% terug brengen. Daarnaast zijn er de volgende bijdragen aan een duurzame energiehuishouding: er wordt voor de energieopslag geen gebruik gemaakt van (toxische) batterijen, minder gebruik van metalen voor elektrodes en geen gebruik meer van additionele elektronica. Door integratie van energieopslag in de zonnecel tegen een betaalbare prijs, zal een belangrijke bijdrage geleverd worden aan de toepasbaarheid van zonnecellen in zowel netgekoppelde als ook autonome toepassingen. Het project wordt getrokken door de onderneming NEE. NEE is een van de aandeelhouders in het nieuwe zonnecel productie bedrijf Advanced Photovoltaic Applications dat naar verwachting in 2008 de eerste Full-sprayed CIS zonnecellen zal produceren. De technologie uit dit project is inpasbaar in het Full-sprayed productieproces. Criterium 3: Potentie voor energieonderzoek Het project sluit aan bij de volgende speerpunten: Thema 2.1: Innovatieve systemen; lokale energieopwekking beter inpasbaar maken in een grotere energie infrastructuur, betere inbedding van lokale energieopwekking, mogelijk maken van ontkoppeling van vraag en aanbod Thema 2.2: Zonconversie PV (Fotovoltaïsche conversie van zonne-energie); innovatieve geïntegreerde systemen, Dit project levert een bijdrage aan deze speerpunten omdat het leidt tot: 1) ontkoppelen van vraag en aanbod van elektriciteit 2) geïntegreerde zonnecel modules met energie opslag 3) lagere systeem kosten 4) betere koppelbaarheid aan het energie netwerk Geeft nieuwe richting aan speerpunt door: uit te gaan van een alternatieve manier om de elektriciteitsopbrengst van zonnepanelen te vergroten, waarbij niet alleen gekeken wordt naar Wp en rendement onder ideale omstandigheden, maar ook naar effectieve elektriciteitsopbrengst; in te spelen op toekomstige markt ontwikkelingen. Ontwikkeling van nieuwe onderzoeksgebieden Het project heeft betrekking op vier nieuwe onderzoeksgebieden: 1) Onderzoek van nieuw concept voor integratie van energieopslag in zonnecel; 2) Het ontwikkelen van supercondensatoren zonder vloeibare elektrolyten; 3) Nieuwe productietechniek voor supercondensatoren; 4) Nieuwe concepten voor back-contactering. 5

9 4. Overzicht van openbare publicaties over het project en waar deze te vinden of te verkrijgen zijn. Deze openbare eindrapportage is verkrijgbaar bij: Foeke Sjoerdswei BH LEEUWARDEN 5. Vermelding van contactpersoon (personen) voor meer informatie. Contactpersoon: M. Nanu telefoon m.nanu@ipact.nl 6