David Drabold en Tesfaye Abtew van Ohio State University onderzochten de achteruitgang van zonnecellen van amorf silicium. Dat is een materiaal zonder net kristalrooster; de atomen liggen wanordelijk door elkaar. Door blootstelling aan licht ontstaan foutjes in de cel en produceert die minder elektrische energie uit het zonlicht. Na deze initial degradation – rendementsdaling vlak na de productie – stabiliseren de cellen op zo’n 80 à 90% van het originele rendement.

Drabold en Tesfaye presenteren nu in Applied Physics Letters bewijs dat zich in verzwakte cellen de verbinding SiH₂ vormt: een silicum-atoom met twee waterstofatomen. Co-auteur J. Taylor experimenteerde met verzwakte zonnecellen en zag daarin een karakteristieke afstand van 0,23 nanometer (miljardste meter) tussen paren van waterstofatomen. Drabold en Abtew lieten met simulaties zien dat die afstand hoort bij een SiH₂–complex.

De drie natuurkundigen stellen niet dat de SiH₂-verbindingen de directe oorzaak zijn van het redementsverlies, maar ze zijn er wel bij betrokken. Ze hopen dat hun onderzoek helpt het probleem te verminderen. “Als we kunnen uitvogelen hoe het rendementsverlies ontstaat, krijgen we daardoor op zijn minst een idee om het op te lossen”, zei Drabold.

Losgeslagen verbindingen

De natuurkundigen Staebler en Wronski toonden al in 1977 aan dat zonnecellen door belichting minder efficiënt worden. Ze konden geen sluitende verklaring vinden, maar in de loop der tijd is het idee ontwikkeld dat licht de normale verbindingen tussen atomen in de zonnecel verbreekt. Er kunnen dan andere verbindingen ontstaan, die de werking van de cel beïnvloeden.

De meeste silicium-atomen in de cel zijn elektrisch gebonden aan vier buren; de overgrote meerderheid heeft vier andere silicium-atomen als partner. Soms gaat zo’n atoom maar bindingen aan met drie buren. Er is dan een dangling bond (losse verbinding) ontstaan: een elektrische ‘open plek’. Die open plek verstoort de elektrische werking van de cel, waardoor die minder licht in elektriciteit om kan zetten.

Door waterstof in de cel te brengen proberen ontwerpers de dangling bonds vast te leggen. Ze mikken dan op een cel waarin silicium-atomen vier silicium, of drie silicium en een waterstof als buurman hebben. De gevonden groepen SiH₂ wijzen er misschien op dat elders in de cel waterstof tekort is. Dat betekent overgebleven dangling bonds en dus achteruitgang van de zonnecel.

Prof. dr. Wim Sinke, leider van de groep zonne-energie van het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN): “Er wordt al jaren onderzoek gedaan naar dit verschijnsel. Het onderzoek van Abtew en zijn collega’s is een belangrijke stap voor echt goed begrip van dit materiaal.”

Zelf-reparerend

Het rendementsverlies door blootstelling aan licht is klein en deels omkeerbaar. Zo repareren cellen van amorf silicium zichzelf als ze warm worden. “In de praktijk zie je ook dat het rendement van deze zonnecellen cyclisch is: het schommelt op en neer, min of meer in de pas met de seizoenen”, relativeert Sinke het verschijnsel.

Productiekosten

Volgens Sinke is de initial degradation niet het grootste probleem van de zonnecelindustrie. Binnen het ECN onderzoekt zijn team manieren om het productieproces van de cellen te verbeteren: een hoger rendement voor minder geld. “Op dit moment doet een zonnecel er 2,5 tot 4 jaar over om evenveel energie op te leveren als het kostte om hem te maken,” aldus Sinke. “Wij willen dat omlaag krijgen naar 1 jaar.”

ECN wil naast een efficiëntere ook een schonere productie mogelijk maken. Zo onderzoekt het centrum manieren om zonnecellen te recyclen en proberen ze zonnecellen zonder zware metalen te maken. Aanpakken van de initial degradation staat helemaal niet op de lijst. Ook Drabold ziet het niet als een topprioriteit: “Het is geen enorm effect, maar de prestaties gaan er wel wat door achteruit. Het zou leuk zijn als we het konden verminderen.”