Het opwekken van zonne-energie is op dit moment erg duur. Ondanks de enorme prijsdaling van de afgelopen decennia is elektriciteit verkregen met zonnecellen nog vijf keer duurder dan elektriciteit uit het stopcontact. Door dit grote prijsverschil is er voor de consument geen financiële prikkel om zonnecellen te gaan gebruiken. Dat is jammer, omdat daardoor een duurzame energiebron onbenut blijft.

Om een verdere prijsdaling van zonne-energie mogelijk te maken doet de Universiteit Utrecht veel onderzoek naar zonnecellen. Dit concentreert zich in de afdeling “Surfaces, Interfaces and Devices”. Wetenschappers werken daarbij nauw samen met andere onderzoeksgroepen binnen en buiten de universiteit.

Slimmer silicium

Het onderzoek richt zich voornamelijk op het slimmer omgaan met de bestaande materialen en fabricagemethoden. Zo is er veel winst te halen door beter gebruik van silicium. Dat is de belangrijkste grondstof van bijna alle commerciële zonnecellen. Ondanks de overvloedige aanwezigheid op aarde (in zand), is silicium in zuivere vorm relatief duur. Het is daarom belangrijk om het gebruik van grote hoeveelheden zuiver silicium in zonnecellen te vermijden en er efficiënter mee om te gaan in het productieproces. Hierdoor zullen de productiekosten dalen, en zal de prijs van zonne-energie verder afnemen.

Zonnecellen gemaakt van een extreem dunne laag silicium zijn een belangrijke kandidaat om de huidige zonnecellen te vervangen. Deze dunne zonnecellen zijn 300 maal dunner dan de zonnecellen die je bijvoorbeeld op daken aantreft. Deze zonnecellen zijn daardoor ongeveer 100 keer zo dun als een haar op je hoofd. Ze bevatten daardoor veel minder silicium wat grote mogelijkheden tot kostenbesparing geeft.

Dunne zonnecellen hebben als voordeel dat je ze op flexibele folies zoals plastic kunt plakken, en in de toekomst misschien zelfs op papier. Daarnaast zijn ze ook nog eens erg licht van gewicht. Dit levert een scala van toepassingsmogelijkheden op, bijvoorbeeld zonnecellen op rugtassen. Hiermee kan je dan je iPod of mobiele telefoon opladen. Het lage gewicht is bovendien handig voor grootschaliger toepassingen, op daken van bedrijfshallen en fabrieken bijvoorbeeld, die niet sterk genoeg zijn om de huidige zonnepanelen te kunnen dragen.

Dunne zonnecellen bieden vele wetenschappelijke uitdagingen. Zo zorgt de geringe dikte van zonnecellen ervoor dat de zonnecel niet direct al het licht opneemt. Om dit te verbeteren kun je een reflecterende laag aan de achterkant van de zonnecel aanbrengen. Licht dat niet in één keer wordt opgenomen kaatst daardoor terug de zonnecel in. Een tweede optie is om de oppervlakte van de zonnecel ruwer te maken. Hierdoor verstrooit het licht aan het oppervlak en legt het een langere weg af in de zonnecel. Beide aanpassingen zorgen voor een betere opname van licht door zonnecellenen verbeteren de zonnecel aanzienlijk en kan er 50% meer licht door de zonnecel worden omgezet in stroom.

Onderzoeksreactoren

De belangrijkste uitdaging bij de ontwikkeling van deze dunne zonnecellen is het vinden van een methode om deze snel en goedkoop te fabriceren. Met dit doel staan er in het “Utrecht Solar Energy Laboratory” (USEL) een aantal testopstellingen. In deze reactoren worden de verschillende productiemethoden getest, onderzocht, en verbeterd. Met het onderzoeken en verbeteren van deze productiemethoden behoort het USEL tot de absolute wereldtop.

In het onderzoek aan zonnecellen werken wetenschappers bij de universiteit en de industrie nauw samen. Zo heeft energieproducent NUON onlangs aangegeven met de productie van deze dunne zonnecellen te willen beginnen. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht zijn mede-uitvinder van dit innovatieve concept. Ook nu zijn zij bij de ontwikkeling van deze productielijn nog nauw betrokken.

Revolutionair

Een alternatieve manier om zonnecellen goedkoper te maken is het ontwikkelen van revolutionaire nieuwe materialen. Koolstof is goedkoper dan silicium en kan op sommige punten betere eigenschappen hebben voor toepassingen in zonnecellen. Echter gewoon koolstof kan geen zonlicht omzetten in elektriciteit. Ordenen we de koolstofatomen echter in super kleine buisjes (“nanobuisjes”) van enkele atomen in doorsnede dan veranderen de elektrisch eigenschappen dusdanig dat het wel in zonnecellen kan worden toegepast. Daarnaast geleiden ze de opgewekte stroom beter dan silicium waardoor een hogere effectiviteit behaald kan worden. Deze koolstofstructuren zouden in de toekomst silicium volledig kunnen vervangen.

Prijsverlaging

Het onderzoek naar deze kleine koolstofstructuren, zoals zeer kleine buisjes gemaakt van koolstof, staat nog in de kinderschoenen. Bij buitenlandse instituten hebben eerste testen onlangs aangetoond dat deze nieuwe materialen inderdaad werken. Recentelijk is ook in Utrecht een eerste testopstelling in gebruik genomen om deze koolstofbuisjes te onderzoeken. Grootschalige productie van commerciële zonnecellen met deze nieuwe materialen is op korte termijn (+/-10 jaar) nog niet waarschijnlijk. Als echter door onderzoek meer over deze nieuwe materialen bekend wordt, zal grootschalige toepassing in zonnecellen een reële mogelijkheid zijn. Dat zou een nog sterkere prijsverlaging van zonnecellen tot gevolg kunnen hebben.

De verwachting is dat in 2015 zonne-energie even duur is als elektriciteit uit het stopcontact. De afgelopen jaren is de prijs van zonne-energie al sterk gedaald en door het vele onderzoek dat plaatsvindt, zal deze daling zich verder doorzetten. Kortom, grootschalig toepassing van zonne-energie bevat nog vele uitdagingen maar met voldoende onderzoek ziet de toekomst er zonnig uit!

Over de auteur

Drs. Vasco Verlaan is in 2004 afgestudeerd in zowel natuur- als scheikunde aan de Universiteit Utrecht. Sinds die tijd doet hij bij dezelfde universiteit o.a. onderzoek naar de ontwikkeling van koolstof nanobuisjes voor toepassing in zonnecellen. In 2008 zal zijn proefschrift over dit onderzoek verschijnen.