Fotovoltaïsche (PV) of zonnetechnologie is een van de sleuteltechnologieën om de overgang naar een duurzaam energiesysteem te vergemakkelijken. Om efficiëntie en betrouwbaarheid te garanderen en een breder gebruik van PV-technologie te verkennen, onderzoekt EnergyVille nieuwe materialen voor PV en innovatieve PV-cel- en moduleconcepten. Voor een brede implementatie is de integratie van PV in gebouwen, voertuigen of andere infrastructuur een ander onderwerp van onderzoek. Omdat deze toepassingen een voldoende lange levensduur en betrouwbaarheid vereisen, onderzoekt EnergyVille de veroudering en betrouwbaarheid van PV-modules evenals PV convertors op moduleniveau. Last but not least doen we onderzoek naar het voorspellen van de energieopbrengst.

Philip Pieters

Onze expert

Philip Pieters

Business Developer Solar at EnergyVille/imec
Kris Baert

Onze expert

Kris Baert

Business Developer Solar and Electrical Energy Networks at EnergyVille/KU Leuven
Lieve De Doncker

Onze expert

Lieve De Doncker

Business Developer Solar and Storage Materials at EnergyVille/UHasselt
Elektrisch

Nieuwe materialen voor PV

Hoewel de gemiddelde consument misschien alleen op de hoogte is van standaard Si-gebaseerde zonneceltechnologie, is het gebied van fotovoltaïsche energie nog continu in ontwikkeling. Cellen gebaseerd op nieuwe dunnefilmabsorptiematerialen, zoals perovskieten, komen al in de buurt van de conversie-efficiëntie van Si. Stabiliteit en schaalvergroting moeten echter verder worden verbeterd. EnergyVille heeft de infrastructuur opgebouwd om dergelijke nieuwe materialen te onderzoeken en om zeer efficiënte grootschalige en stabiele celarchitecturen te ontwikkelen.

Voor andere materiaalsystemen, zoals CIGS, wordt de absorberinterface zorgvuldig geregeld om de uitgangsspanning te verbeteren terwijl zeer dunne films worden gehandhaafd. Het begrijpen en beschrijven van de materiaaleigenschappen is cruciaal om goed presterende fotovoltaïsche apparaten te bekomen. Daarom maakt EnergyVille de demonstratie van deze nieuwe apparaatarchitecturen niet enkel mogelijk op kleine apparaten op laboschaal, maar ook op full-size (30x30cm²) modules en zelfs met volledige integratie in definitieve toepassingen zoals gebouwen, voertuigen en infrastructuur.

Hoge efficiëntie PV-cell/moduletechnologie

Zonnecellen transformeren invallend licht van de zon in elektrische stroom. In Si zonnecellen wordt deze stroom gelijkmatig over het volledige celoppervlak gegenereerd en wordt verzameld door de zogenaamde "fingers" van het metallisatierooster (een reeks parallelle metalen lijnen om de 1-3 mm). De stroom van die vingers wordt vervolgens verzameld in bredere metalen lijnen die loodrecht staan op de fingers: "busbars". Om de elektrische prestaties te verbeteren en optische verliezen in PV-modules te verminderen, is de trend in Si cel-interconnectie gericht op meer en smallere busbars die vervolgens de gegenereerde stroom leveren aan de linten die bovenop zijn gesoldeerd (de dunne stroken van koper of aluminium tussen cellen die elektriciteit geleiden). Uiteindelijk evolueert dit naar module-interconnectie door meeraderige technologieën in plaats van busbars en ribbons. Omdat de meeraderige interconnecties de stroom capteren over een beter verdeeld oppervlak van de cel kan de breedte van de fingers sterk kan worden verminderd, waardoor de kosten van de metallisatie op celniveau worden verlaagd.

Voortbouwend op deze evoluties hebben we het concept van een geweven verbindingsplaat ontwikkeld door inkapselende linten en metaaldraden in één weefsel te weven. Dit concept bespaart materiaal en elimineert meerdere processtappen, terwijl het nog steeds kan worden uitgevoerd op standaard lamineermachines, wat allemaal belangrijke voordelen biedt. Daarom is deze interconnectietechnologie een waardevolle nieuwe bouwsteen voor ons werk in gebouw- en voertuig-geïntegreerde PV.

Integratie van PV in gebouwen, gevels, voertuigen en infrastructuur

De energieproductie dichter bij de consumptie te brengen en de integratie ervan in de bebouwde omgeving te vergroten, ligt aan de basis voor een snelle en duurzame energietransitie. Daarom onderzoekt EnergyVille de integratie van PV in gevels van gebouwen, in voertuigen en in andere toepassingen. Dit vereist een nauwe samenwerking tussen architectuur, bouwfysica, elektrotechniek en PV-experts. Toepassingsspecifieke eisen drijven ons onderzoek in moduleomvormers en elektronica, PV-cel- en moduletechnologie, betrouwbaarheidstests en simulatie van energierendement aan. Door grootschalige demonstratieprojecten valideren we deze technologie en simulatieresultaten in real-life omstandigheden.

We onderzoeken een esthetische en betrouwbare interconnectietechnologie die aanpassingen op grote schaal mogelijk maakt. Esthetiek en uitvoering op maat zijn een must bij het bouwen van geïntegreerde PV. We werken aan een modulesamenstellingstool die, op basis van de input van architectuursoftware, automatisch op maat gemaakte modules assembleert. Onze multi-wire cel-interconnectietechnologie kan flexibel worden aangepast aan module-dimensies en zal de implementatie van Industry 4.0-principes aanzienlijk vergemakkelijken.

Zowel voor integratie in gebouwen als in voertuigen, experimenteren we ook met het veranderen van de vorm en afmetingen van PV-modules in onze laboratoria. De integratie van PV in gebouwen of voertuigen veroorzaakt vaak een niet-uniforme belichting, wat vraagt om nieuwe moduletechnologieën die een efficiënte energieopbrengst mogelijk maken in niet-uniforme en dynamisch variërende omstandigheden. Door herconfigureerbare moduletopologie te combineren met de multi-wire interconnectietechnologie wil EnergyVille zorgen voor een paradigmaverschuiving voor de volgende generatie PV-modules.

PV-cel/module analyse en prestatieverbetering

Omdat PV-modules op verschillende manieren worden toegepast, is het nodig hun performantie te beoordelen buiten de standaard laboratoriumomstandigheden. Dit is grotendeels erkend door de industrie die een breed scala aan nieuwe IEC-normen op dit gebied voorbereidt. We zijn nauw betrokken bij dit proces en we hebben onze tools geselecteerd op basis van deze inzichten. EnergyVille heeft een unieke grootschalige module-tester met LED-verlichting waarin we zowel de voorkant als de achterkant van grote PV-modules kunnen belichten. Spectrale en lichte intensiteitsvariaties kunnen allemaal worden aangepast om de buitenomstandigheden volledig na te bootsen.

Een andere kritische factor voor het bepalen van de performantie van een PV-module is de temperatuur. Daarom hebben we een systeem ontworpen waarbij PV-modules tijdens de meting kunnen worden verwarmd. We hebben ook metingsplekken buiten in rack- en façadeconfiguratie die een aanvulling vormen op onze metingen binnenshuis. In deze systemen kunnen we PV module-spanning zeer nauwkeurig meten in kleine tijdsintervallen. Gecombineerd met uitgebreide weersmetingen beschikken we over uitstekend materiaal voor ons onderzoek rond BIPV, betrouwbaarheid en energierendement-simulatie en -voorspelling. We zorgen ervoor dat zowel industriële als kleine onderzoekssamples kunnen worden gemeten in onze karakteriseringstools, met een focus op de exploratie van nieuwe materialen en technologieën.

Ons onderzoek rond cel-, materiaal- en betrouwbaarheidskarakterisatie wordt ondersteund door een grote verscheidenheid aan opto-elektrische karakteriseringstools (bijv. spectrale respons, reflectiviteitstoewijzing, spectroscopie, hoge resolutie elektroluminescentie) en materiaalanalysetools (bijv. optische en elektronenmicroscopie, cross-section preparation tool, adhesietester). De combinatie van deze uitgebreide karakteriseringsmogelijkheden en de inzichten van onze specialisten stellen ons in staat om de oorzaken van verminderde moduleprestaties te begrijpen en routes uit te stippelen om de performantie te verbeteren.

PV Module verouderings- en betrouwbaarheidsstudies

Bij het verlagen van de levelized cost of electricity is het verlagen van de afbraaksnelheid van PV-modules net zo belangrijk als efficiëntie. Design for reliability is de basis van verschillende onderzoeksactiviteiten die EnergyVille uitvoert op het gebied van betrouwbaarheid van PV-modules.

EnergyVille voert diepgaand betrouwbaarheidsonderzoek uit naar de volgende generatie materialen en technologieën voor PV-modules. We ontwerpen gerichte betrouwbaarheidsstudies om de zwakke punten van materialen of technologieën te onderzoeken. Door opto-elektrische karakterisering te combineren met destructieve materiaalanalyse, zijn we in staat om de onderliggende defecten bloot te leggen. Deze onderzoeken en inzichten worden verder uitgediept door de eindige-elementenmethode toe te passen op thermomechanische problemen. EnergyVille biedt gestandaardiseerde tests en is betrokken bij de standaardisatiecomités van de International Electrotechnical Commission (IEC).

De betrouwbaarheid van PV-modules speelt ook een cruciale rol bij het verkleinen van de ecologische voetafdruk van PV. Eén element is technologieontwerp en materiaalselectie voor verbeterde recycling en eliminatie van toxische materialen. Door de verlenging van de operationele levensduur en het opknappen of hergebruiken van PV-modules willen we de milieu-impact van PV-panelen verder verlagen. EnergyVille is betrokken bij door de overheid gefinancierde projecten en adviseert de EU-commissie om aan deze inspanning bij te dragen.

PV convertors op module-niveau (inclusief modellering, testen en betrouwbaarheid)

De huidige mismatch in een PV module kan de productie van PV-energie negatief beïnvloeden. Indien er (gedeeltelijk) schaduw valt over een of meer in serie geschakelde cellen in een module of een of meer in serie geschakelde modules in een string, zal de totale stroom van de PV-module of de totale stringstroom beperkt zijn. Dit resulteert in een aanzienlijke vermindering van de totale PV-module of systeemvermogen.

Bij Building Integrated Photovoltaics of BIPV bestaat hetzelfde probleem van niet-uniforme verlichting (als gevolg van schaduwen vanuit obstakels). Om de energieproductie te maximaliseren zijn nieuwe moduletechnologieën die een efficiënte energieopbrengst mogelijk maken in niet-uniforme en dynamisch variërende omstandigheden nodig. Een van de meest innovatieve maar ook uitdagende oplossingen is gebaseerd op het idee om de elektrische verbinding tussen de PV-cellen in real time te veranderen zodat de PV-module zich aanpast aan zijn omgeving. We stellen een herconfigureerbaar Smart PV (RSPV) module-concept voor dat het oogsten van energie in niet-optimale omstandigheden aanzienlijk verhoogt.

Zowel voor standaard- als herconfigureerbare PV-modules, moeten convertors compact zijn voor integratie en moeten ze voldoen aan de strenge betrouwbaarheidsvereisten. Dit vraagt om betrouwbaarheidstesten en begrip van de storing die verder gaat dan de huidige standen en metingen. We willen niet alleen het faalpercentage meten, maar ook de afbraaksnelheden van de nieuwe convertordesigns. Hiervoor gebruiken we versnelde synthetische missieprofielen.

PV energieopbrengst metrologie, simulatie en voorspelling

Als het gaat over zonne-energie is een optimale energieopbrengst zeer belangrijk. Tegenwoordig worden de energieprestaties van PV-modules binnenshuis gemeten onder standaard testomstandigheden. In werkelijkheid verschillen de buitenomstandigheden echter aanzienlijk van deze standaard gedefinieerde omstandigheden. Om de kloof tussen binnen- en buitenprestaties te overbruggen en de hoogste opbrengst aan zonne-energie te bereiken, ontwikkelt EnergyVille zowel testopstellingen voor binnen als buiten en een simulatiemodel voor energieopbrengst.

Het energierendement-voorspellingsmodel van EnergyVille is een op scenario's gebaseerde software die nauwkeurig de dagelijkse energieopbrengst van zonnecellen en zonnemodules voorspelt onder verschillende meteorologische en stralingsomstandigheden op basis van historische weerdata. Het model combineert optische, thermische en elektrische parameters om gedetailleerd inzicht te bieden in thermische variaties in de zonnemodule. Het model integreert het effect van deze variaties, wat resulteert in een aanzienlijk betere nauwkeurigheid dan commercieel beschikbare softwarepakketten voor schatting van de energieopbrengst. In tegenstelling tot de meeste bestaande modellen voor de berekening van de energieopbrengst, gaat het simulatiemodel voor energierendement uit van de fysieke parameters van de zonnecellen en de gebruikte materialen en omvat het bovendien de variaties als gevolg van veranderende externe omstandigheden. Op deze manier wordt een 'closer to reality'-model verkregen, dat een preciezere analyse mogelijk maakt van de effecten van veranderingen in de zonnecel- en module-technologie op de energieopbrengst van deze fotovoltaïsche cellen en modules.