Het melken van de zon met zonnepanelen die een steeds hogere efficiëntie hebben en beter worden

Al tientallen jaren gaan de rendementen van zonnecellen omhoog. Maar waar het ene type zonnecel al tegen de theoretische grenzen van de natuurkunde schuurt, is er bij het andere soort nog een wereld te winnen. Waar zit die winst? Tot hoe ver kunnen wetenschappers gaan? En welke soorten zonnecellen zijn er überhaupt?

8 juli 2016

Als je enkel naar de getallen kijkt dan kan er op aarde helemaal geen sprake zijn van een energieprobleem. Terwijl we op de meest onmogelijke plekken boren naar olie, bergen afgraven voor steenkool en jaarlijks tonnen radioactief afval produceren baden we in energie, gratis en voor niets bovendien. De zon geeft ieder dag meer dan genoeg energie af aan het aardoppervlak (al gauw een paar honderd tot meer dan duizend watt per vierkante meter) om de energiehonger van de mens te stillen.

Natuurlijk is het niet zo simpel. We moeten die energie wel omzetten in bruikbare middelen, zoals elektriciteit, brandstof en warmte. Dat lukt al aardig. Zonneboilers voor warm water bestaan al zeker een eeuw en sinds de uitvinding van de zonnecel, al in de negentiende eeuw, maken we ook direct stroom uit het licht. De meeste van de honderdduizenden zonnepanelen die nu op de Nederlandse daken liggen, werken op basis van de halfgeleider silicium en hebben een efficiëntie van ongeveer twintig procent. Ze zetten dus een vijfde van alle energie in het licht direct om in elektriciteit.

In bijvoorbeeld de ruimtevaart ben je daarmee een lachertje, daar zijn zonnepanelen met een efficiëntie van zo’n veertig procent gangbaar. Dubbel zo efficiënt, maar ook veel meer dan dubbel zo duur en daarom minder aantrekkelijk voor het gebruik op daken van woonhuizen. Maar de trend is de afgelopen jaren onmiskenbaar steeds efficiëntere zonnecellen voor een steeds lagere prijs.

Het vakgebied verandert wat dat betreft in rap tempo. Steeds duiken nieuwe types zonnepanelen op, denk aan organische cellen of perovskietcellen, en komen wetenschappers met nieuwe trucjes om bestaande zonnecellen beter te maken. De kaarten liggen er iedere paar jaar weer anders voor. Welke zonnecel heeft straks de beste papieren om op onze daken te schitteren?

Overzicht van de efficiëntie van verschillende soorten zonnecellen door de jaren heen. In paars zijn de ‘gecombineerde’ zonnecellen aangeven. Dat is de meest efficiënte soort die wel 46 procent van al het licht weet om te zetten in elektriciteit. In deze cellen zijn verschillende lagen verwerkt die ieder gevoelig een andere golflengte van het licht. In blauw zijn de (enkele) silicium zonnecellen aangegeven, die bijna 25 procent aantikken. Daaronder komen de dunne film-zonnecel (groen) en de organische zonnecel (oranje). Opvallende stijger is perovskiet (oranje met gele bolletjes) die in enkele jaren naar ruim 20 procent efficiëntie is opgestoomd. — Overzicht van de efficiëntie van verschillende soorten zonnecellen door de jaren heen. In paars zijn de ‘gecombineerde’ zonnecellen aangeven. Dat is de meest efficiënte soort die wel 46 procent van al het licht weet om te zetten in elektriciteit. In deze cellen zijn verschillende lagen verwerkt die ieder gevoelig zijn voor een andere golflengte van het licht. In blauw zijn de (enkele) silicium zonnecellen aangegeven, die net over de 25 procent gaan. Daaronder komen de dunne film-zonnecel (groen) en de organische zonnecel (oranje). Opvallende stijger is perovskiet (oranje met gele bolletjes, helemaal rechts) die in enkele jaren naar ruim 20 procent efficiëntie is opgestoomd.
National Renewable Energy Laboratory

Organisch, silicium of perovskiet

Wat bepaalt het succes van een zonnecel? Succesfactoren zijn vooral efficiëntie, betaalbaarheid en degelijkheid. Uiteraard heb je weinig aan een zonnepaneel dat na enkele jaren nog maar een fractie van zijn oorspronkelijke vermogen levert. Verder kan het uiterlijk of bijvoorbeeld de flexibiliteit van een zonnecel een argument voor verkoop zijn.

Wat het eerste punt betreft, de efficiëntie, stoomt de laatste tien jaar de zogenoemde organische zonnecel op, die werkt met laagjes halfgeleidende organische moleculen. Terwijl wetenschappers aan het begin van dit millennium met veel moeite enkele procenten van de energie uit het licht wisten te persen tikken de huidige recordcellen een respectabele dertien procent aan. En dat zal de komende jaren nog verder stijgen tot wellicht vijftien of twintig procent. Ieder jaar gaat het rendement gemiddeld met een klein procent omhoog. Extra voordeel is dat organische zonnecellen veel goedkoper zijn om te maken dan hun silicium broer.

Met stip stijgt ook de zonnecel op basis van het perovskiet-meteriaal. Wat betreft efficiëntie is het de huidige ster van het veld. In een razend tempo breekt dit type zonnecel het ene na het andere efficiëntierecord, en zit nu op ruim twintig procent, bijna even goed als silicium. Overigens zijn er wel zorgen over de degelijkheid van het perovskiet en het feit dat er lood in zit, een giftige stof waar fabrikanten wellicht huiverig voor zijn.

Er zijn ook verliezers. De flexibele zogenoemde dunne film-silicium zonnecel leek een aantal jaren geleden een serieus alternatief te zijn voor veel duurdere ‘dikke’ silicium zonnecellen. Ondanks hun lagere efficiëntie waren ze namelijk ook veel goedkoper en makkelijker te installeren. Door de spectaculaire prijsdaling van de gewone silicium zonnecel is de dunne film echter behoorlijk naar de achtergrond gedrukt. Deze wordt enkel nog geproduceerd voor speciale toepassingen op bijvoorbeeld gebogen daken.

Vergeet tot slot niet de huidige nummer één. De silicium zonnecel die al tientallen jaren wordt gemaakt en een flinke voorsprong heeft op de concurrentie wat betreft productie, efficiëntie en/of kosten. Volgens fabrikanten gaat de ‘klassieke zonnecel’ wel twintig jaar mee. Als je kijkt naar de efficiëntie van de cellen dan daalt die niet noemenswaardig, met minder dan een procent per jaar. Dat laatste hebben de veel nieuwere organische zonnecellen, en zeker de perovskietcellen, nog niet bewezen.

Dat terwijl silicium zonnecellen zelf waarschijnlijk ook nog efficiënter kunnen door slimme trucjes toe te passen. Licht kan namelijk gevangen, hergebruikt en gefocust worden.

Zonnecellen die getest worden in het SolarBEAT-project van de TU/e worden geïnstalleerd. — In het onderzoeksproject SolarBEAT van de Technische Universiteit Eindhoven werden zonnepanelen getest die integraal onderdeel van het dak zijn.
TU/e

Recyclen van licht

Álle soorten zonnecellen, silicium, organisch of perovskiet, kunnen nog beter door slimme trucjes. En daar wordt minstens evenveel onderzoek naar gedaan als de materialen zelf. Er zijn twee strategieën. Ten eerste wordt er geprobeerd om zoveel mogelijk licht in de absorberende laag te krijgen. Ten tweede moeten de lichtdeeltjes die aankomen in die laag ook zoveel mogelijk elektriciteit opleveren en niet ‘verdwijnen’ als warmte: de opgewekte elektriciteit moet zo goed mogelijk de zonnecel uit kunnen. Verliezen worden doorgaans het meest geleden op plekken waar verschillende materialen in een zonnecel met elkaar in aanraking komen, bijvoorbeeld het silicium en de metalen contacten. Door hier dunne extra materiaallaagjes aan te brengen, worden die verliezen beperkt.

Zoveel mogelijk licht in de absorberende laag krijgen: zo’n optische verbetering kan al met een relatief simpele ingreep als het ‘anti-reflectief’ maken van het oppervlak met een speciale coating, bijvoorbeeld siliciumnitride. Zo reflecteert het zonnepaneel minder licht. Ook kunnen niet absorberende lagen, zoals het glas en de contacten, nog transparanter worden. Verder kun je denken aan het bevestigen van beide elektrische contacten op de achterkant van de zonnecel, waardoor de voorkant een zo groot mogelijk effectief oppervlak heeft.

In de eerste categorie doet Rudi Santbergen, postdoc van de afdeling Electrical Sustainable Energy van de TU Delft onderzoek. Zo probeerde hij licht te vangen door onder de lichtgevoelige laag een spiegellaag met nanodeeltjes te leggen die het licht onder een hoek terugkaatst, opnieuw de lichtgevoelige laag in. “Licht kun je op die manier wel twintig of dertig keer door een lichtgevoelige laag sturen en als het ware recyclen”, zegt hij.

In feite zijn het verbeteringen die nog maar marginaal bijdragen aan de efficiëntie van de zonnecel. “Dure silicium zonnecellen uit het lab haalden eind jaren negentig een rendement van 25 procent”, zegt Santbergen. “Nu zitten ze op 25,6 procent, dat is niet zo’n groot verschil. Het theoretische limiet voor een enkelvoudige cel ligt op 33 procent, maar dat ga je in de praktijk nooit halen. Ik denk dat je niet hoger komt dan 26 procent. Bovendien gaat dit om zonnecellen in het laboratorium. De zonnepanelen voor massaproductie (die doorgaans een lagere efficiëntie kennen – red.) zijn wel erg vooruitgegaan in die tijd.”

Stapelen

Dat uitstijgen boven de 25 rendement kan, bewijzen de zonnecellen in de ruimtevaart. Daarvoor stapelen wetenschappers verschillende absorberende lagen op elkaar, die gevoelig zijn voor verschillende golflengtes van het licht. Je hebt eigenlijk meerdere zonnecellen in één.

Iemand die veel onderzoek doet naar het stapelen van zonnecellen is René Janssen, professor Moleculaire Materialen en Nanosystemen van de Technische Universiteit Eindhoven. Vorig jaar ontving hij de Spinozapremie voor zijn onderzoek, waarin hij tot wel achttien materiaallagen op elkaar stapelt.

Het stapelen heeft vooral ‘bij de eerste lagen’ veel effect. Het introduceren van één extra laag krikt het theoretische limiet op van 33 naar 42. Voeg je nog een nieuwe laag toe dan is het maximum 48 procent. Zou het je lukken om een oneindig aantal lagen op elkaar leggen dan kom je uit op een ultieme efficiëntie van 86,8 procent. Maar dat is sowieso onhaalbaar.

“Zonnecellen worden steeds complexer naarmate je meer lagen stapelt, het wordt steeds lastiger om ze te maken”, zegt Janssen. “Je kunt je op een gegeven moment afvragen of het nuttig is om nóg een laag toe te voegen als de efficiëntie nauwelijks omhoog gaat. Verder dan vier zonnecellen gaat het nu eigenlijk niet.”

Daar komt bij dat de werkelijkheid altijd weerbarstiger is dan keurige natuurkundeformules in de boeken van wetenschappers. De hierboven genoemde getallen zijn voor perfect presterende zonnecellen. Werkende drievoudige organische zonnecellen halen momenteel dertien procent rendement. Dat is knap, en een enorme vooruitgang ten opzichte van een paar jaar geleden, maar het is mijlenver onder de theoretische 48 procent efficiëntie van een drievoudige cel. “Wij houden ons als onderzoekers ook niet zo bezig met theoretische limieten, maar vooral met zonnecellen die echt werken”, reageert Santbergen.

En welke zonnecel heeft nu de goede kaarten? Janssen durft een voorspelling wel aan: “Betaalbare zonnecellen met een rendement van veel meer dan twintig procent was enkele jaren geleden nog echt toekomstdromerij. Nu denk ik dat het een reële optie is dat we dertig procent halen met een combinatie van perovskiet- en siliciumcellen.”