Een zonnecel bestaat uit een materiaal dat de energie van opvallend zonlicht absorbeert. Daardoor komen elektronen los van de atomen waaraan ze oorspronkelijk gebonden waren. Die elektronen bewegen onder invloed van een intern elektrisch veld in de cel naar de elektroden en leveren zo elektrische stroom. De efficiëntie van dat proces hangt onder meer af van materiaalkeuzes en van de dikte van de absorberende laag.
Veruit de meest geproduceerde zonnecel is gemaakt van silicium, in monokristallijne, multikristallijne of amorfe vorm. Silicium is qua prijs-prestatieverhouding het beste materiaal. Echter, puur op rendement bekeken zijn verbindingen tussen elementen uit de derde en de vijfde groep van het Periodiek Systeem, de zogenoemde III-V-halfgeleiders, beter. Helaas zijn die zo duur dat ze vrijwel alleen in ruimtevaarttoepassingen gebruikt worden.
Als je daarentegen kijkt naar de kosten die gemoeid zijn met de productie van zonnecellen, dan zouden zonnecellen op basis van organische halfgeleiders hoge ogen kunnen gooien. Deze technologie staat echter nog in de kinderschoenen. Er zijn diverse ontwikkelingen gaande om het rendement van organische zonnecellen op te voeren, door verbeterde materialen en door verbeterde productiemethoden.
Een zonnecel in werking. Zonnecellen bestaan uit halfgeleiders. Zonlicht kan elektronen losmaken uit de atomen in die halfgeleider, die dan door een elektrisch circuit gaan lopen. De achterblijvende gaten in het rooster hebben netto een positieve lading en bewegen de andere kant op: naburige elektronen schuiven het gat in, dat zich zo ‘verplaatst’. bron: Resources and Protection Technology.
Lichtverliezen
Er wordt hard aan gewerkt om in massaproductie de rendementen te verbeteren. ECN rapporteerde afgelopen januari op de Photovoltaic Specialists Conference in Florida over een nieuw in-line productieproces dat op hun proefproductielijn multikristallijne siliciumzonnecellen met een gemiddeld rendement van 16,5% (hoogst behaalde rendement 16,8%) oplevert. Daarmee hebben zij het rendementsrecord voor dit type zonnecellen in een doorlopend productieproces in handen (de meeste commercieel verkrijgbare cellen hebben een rendement van ongeveer 14%).
De achtereenvolgende stappen in dit proces zijn: een etsstap die de gezaagde oppervlakken homogeen ruw maakt, waardoor het zonlicht beter ingekoppeld wordt; een diffusieproces om de actieve laag aan te brengen; het aanbrengen van een siliciumnitride anti-reflectielaag, waardoor de lichtverliezen kleiner worden; en het aanbrengen van de metaalcontacten via een zeefdruktechniek.
In dit project heeft ECN laten zien dat het aanbrengen van de actieve laag ook in een bandoven kan plaatsvinden en niet per se in een ultraschone buisoven. De bedoeling is dat een vergelijkbaar proces in de loop van 2005 in de op te richten fabriek van Solland Solar in bedrijf wordt genomen.
Zonnepanelen van kristallijn silicium nabij Sacramento, Calfornie.
Wereldrecord
Deze hoge-rendements zonnecellen bestaat uit een aantal lagen van III-V-halfgeleiders, elk met hun eigen spectrale eigenschappen. Hoe zuiverder de materialen en hoe netter de lagenstructuur, hoe beter het rendement. De lagenstructuur wordt verkregen door de gewenste atomen vanuit de dampfase op een dragerlaag te deponeren, een proces waarvoor dure (CVD: Chemical Vapor Deposition) apparatuur nodig is. Daarvoor moet de dragerlaag ook een perfecte structuur hebben. Dat maakt de productie van deze dragerlaag duur, zo duur dat het wel 40 tot 80% van de uiteindelijke prijs van de zonnecel kan uitmaken.
Aan de Radboud Universiteit in Nijmegen ontwikkelde materiaalwetenschapper John Schermer een methode ontwikkeld waarbij, nadat de eigenlijke III-V-zonnecel laag voor laag is opgebouwd, deze in zijn geheel van de dragerlaag wordt afgepeld. De dragerlaag kan daarna worden hergebruikt. Zo komen ook aardse toepassingen van dit type zonnecel in het zicht.
Schermer: “Het lastige daarbij is dat je de lagenstructuur –een plakje materiaal met een doorsnede van 5 cm dat maar enkele microns dik is– zonder het te beschadigen moet verwijderen. Maar dat moet ook zo snel dat het uiteindelijk in een fabriek gebruikt kan worden voor massaproductie. Ons proces is 20 keer sneller dan wat andere onderzoeksgroepen in de wereld kunnen en valt ruim binnen de industriële eisen.”
Schermer is er zichtbaar trots op. “We hebben het verwijderde plakje materiaal, het hart van de uiteindelijke zonnecel op een ander, goedkoper dragermateriaal overgebracht en voorzien van de benodigde elektrische contacten. Dat resulteerde in een werkende zonnecel met een rendement van inmiddels 24,5%, een ruime verbetering van het wereldrecord voor enkelvoudige dunne-filmzonnecellen. Dat willen we in de toekomst nog opvoeren tot ruim boven de 30% door verschillende materialen te combineren tot meervoudige zonnecellen.”
Het verwijderen van de dragerlaag gaat als volgt: een druppel etsvloeistof wordt aangebracht op de kopse kant van de lagenstructuur. Daarin lost de scheidingslaag tussen de dragerlaag en de zonnecel op. Een motortje rolt het losgekomen deel van de lagenstructuur heel langzaam om een cilinder waardoor de druppel etsvloeistof steeds met een nieuw stukje van de scheidingslaag in contact komt. De etsvloeistof ‘vreet’ zich als het ware met een snelheid van 35 mm/uur door de scheidingslaag heen totdat de hele lagenstructuur los is van de drager.
Onderzoek naar nieuwe soorten zonnecellen. bron: Reinout van den Bergh. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.
Spiegels
Je kunt de uitdaging om goedkope en efficiënte zonnecellen te maken op twee manieren aangaan: de productiekosten van hoog-rendementzonnecellen, zoals de III-V-zonnecellen omlaag brengen of het rendement van goedkopere zonnecellen, bijvoorbeeld organische zonnecellen, opvoeren. Voor de productie van organische zonnecellen is geen dure apparatuur nodig de lagen kunnen in principe uit oplossingen verkregen worden. Lichtgewicht en flexibele zonnecellen met een groot oppervlak kunnen in een roll-to-roll massafabricageproces geproduceerd worden.
De groep van Prof. René Janssen van de Technische Universiteit Eindhoven werkt aan organische zonnecellen. In een mengsel op nanoschaal van een geleidend polymeer en een fullereen ontstaan op de grensvlakken onder invloed van zonlicht ladingsdragers. “Inmiddels zijn we wat rendement betreft gevorderd tot 3 à 4%,” meldt Janssen desgevraagd. “De materialen blijven steeds langer stabiel, maar een levensduur vergelijkbaar met silicium zonnecellen halen we nog niet. Pas als duidelijk welke materialen en welke technologie de beste productieresultaten opleveren, kunnen we concrete uitspraken doen over de kosten.”
Prof. Poul Larsen, de leider van de groep waar Schermer werkt, blijft meer zien in III-V-zonnecellen. “Zonnecellen met een laag rendement moeten een groot oppervlak hebben om een bruikbare hoeveelheid energie te verzamelen. Zelfs al worden de organische zonnecellen efficiënter, je zult toch altijd een groot oppervlak ter beschikking moeten hebben. Als je een huis zelfvoorzienend met zonne-energie zou willen maken, heb je op de meeste huizen gewoon niet genoeg dakoppervlak om die zonnecellen kwijt te kunnen. Met onze hoog-rendementzonnecellen, die je trouwens nog efficiënter kunt maken door het zonlicht te concentreren met spiegels, kun je in principe wel voldoende energie verzamelen.”
Over de auteur
Marianne Vincken was lange tijd wetenschappelijk redacteur en persvoorlichter bij Philips Research en werkt sinds 2000 als zelfstandige tekstschijver/journalist/vertaler op technisch/wetenschappelijk gebied.