Zonnestroom is een heel snel groeiende industrie. Soms meer dan 50 procent per jaar en dat al meer dan een decennium. Bovendien is in de elektronica een paar gram silicium al veel, terwijl de zonnepanelen op daken van woonhuizen per stuk enkele kilo’s bevatten. Voor een megawatt piekvermogen – vergelijkbaar met een kleine windturbine – gaat het richting tien ton silicium.

“Tot 2003 leefde deze industrie van goedkoop afval, van resten kristallijn silicium die net niet goed genoeg waren om er chips voor computers en andere elektronica van te maken,” vertelt Ton Veltkamp. Maar vanaf ongeveer 2005 overtrof de vraag naar silicium voor zonnecellen die van de elektronische industrie en ontstond een groot tekort aan zuiver silicium. Op de spotmarkt werd soms meer dan 500 dollar per kilo betaald terwijl de tot dan toe normale prijs circa 30 dollar was!

Fabrikanten van zonnecellen kunnen toe met ‘vuiler’ silicium dan tot nu werd aangenomen. Dat scheelt enorm in de kosten terwijl het rendement van de zonnecel gelijk blijft.

Warut Roonguthai

Meten is weten

Sindsdien wordt hard gewerkt aan goedkoper ‘solar grade’ silicium. Veltkamp: “Een nog steeds gangbare methode voor de zuivering is het destilleren van silicium in gasvorm. Deze route vereist enorme aanvangsinvesteringen, en het kost bovendien geweldig veel energie. De rechtvaardiging bestond voornamelijk uit oud onderzoek, waarin het rendement van de zonnecel duidelijk afnam als de concentratie van stoffen zoals ijzer en chroom groter werd dan 0,05 ppm.” (0,05 delen per miljoen.)

ECN Zonne-energie betwijfelde niet als enige of die grens nog wel opging voor de huidige zonnecellen. Het fabricageproces van silicium plak (wafer) tot zonnecel is de afgelopen tien jaar ingrijpend veranderd. “Maar,” zegt Veltkamp, “het onderzoek waarmee je nieuwe cijfers hard kunt maken eist nogal wat faciliteiten en kost veel tijd. Ons lab is er heel geschikt voor. En binnen het Europese project CrystalClear, waarvan mijn collega Gianluca Coletti het onderdeel silicium materialen heeft gecoördineerd, kregen we de gelegenheid.”

Uitgaande van extreem zuiver silicium maakte SINTEF in Noorwegen op specificatie van ECN Zonne-energie een serie cilindervormige blokken (ingots) van kristallijn silicium, elk in nauwkeurig bepaalde mate vervuild met een enkel element, zoals ijzer, chroom of nikkel. In Petten werden er zonnecellen van gemaakt. Veltkamp: “Daarvoor gebruikten we ons standaardproces, overeenkomend met de manier waarop de meest verkochte zonnecellen worden geproduceerd. Onze resultaten zijn dus zonder meer geldig voor de meeste industriële processen. Vandaar dat ons grafiekje veel aandacht trekt. Je kunt eruit afleiden dat het grootste deel van de ingot bruikbaar is, zelfs bij uitgangconcentraties van 10 ppm in de silicium feedstock – dus tot 200 keer de gangbare grenswaarde!”

Effect vervuiling op rendement

Het effect van vier verschillende vervuilingen, gemeten als het rendement van zonnecellen gemaakt van wafers uit specifieke delen van een silicium ingot. De zwarte stippen markeren de prestaties bij gebruik van commercieel zuiver silicium. In de grafiek (klik voor een vergroting) is duidelijk te zien dat tussen circa 40 en 80 procent van de ingot – gerekend vanaf de onderkant – silicium verontreinigd met 40 tot 50 ppm (delen per miljoen) ijzer, chroom of nikkel vrijwel even goede zonnecellen levert als de referentie. Onder en boven dat middengebied gaat het minder goed, “maar we kunnen hieruit afleiden dat bij concentraties van circa 10 ppm het grootste deel van de ingot uitstekend bruikbaar is,” zegt Veltkamp. En dan is het materiaal 200 keer vuiler dan tot nu toe acceptabel werd gevonden.

Geld en energie verdienen

Zeer zuiver silicium (electronic-grade) is dus niet persé nodig om goede zonnecellen te maken. Opgewaardeerd metallurgisch silicium (UMG) is zuiver genoeg en kost minder geld en energie. Hoeveel minder? Splitsen we de kosten van een bedrijfsklaar zonnepaneel, dan is de verdeling ongeveer zo:

• Gezuiverd silicium: 14%
• Productie multikristallijne silicium blokken (ingots): 8%
• Verzagen tot wafers: 11%
• Fabricage zonnecellen: 27%
• Samenstelling modules: 40%

De 14 procent die direct aan het begin staat kan dus omlaag. Fabrikanten denken aan een halvering, maar Veltkamp houdt een slag om de arm: “Dat moeten ze nog waarmaken.” Fors lagere eisen aan de zuiverheid kunnen ook de kosten drukken van de wafer, de plak silicium die uiteindelijk verandert in een zonnecel. Nu wordt het ruwe materiaal gekristalliseerd via het maken van een _ ingot_ , die vervolgens wordt verzaagd. Een stap waarin de helft van het silicium verloren gaat. Veltkamp: “Dat kan straks ook anders, door vloeibaar silicium in een continu proces te gieten op een geschikt substraat, in dunne lagen. Dan raak je nauwelijks materiaal kwijt, want je hebt immers geen zaagschade.”

Nu de zuiverheid een tand minder mag, verschijnen meer processen voor solar-grade silicium in beeld, die om allerlei redenen goedkoper kunnen uitpakken. “Denk aan het effect van concurrentie,” zegt Veltkamp. “UMG silicium alleen al brengt meer spelers in de markt.”

Tot slot gaat het niet alleen om geld. Van groot belang is ook de snelheid waarmee een zonnepaneel de energie kan terugverdienen die werd geïnvesteerd in de fabricage. “Nu kost dat nog een jaar of drie. Straks kan het in één jaar. En zonnepanelen gaan lang mee, zijn onderhoudsvrij, maken geen lawaai … Het is een prachtige energiebron.”