Lang verwachte zonsopgang

Al in 2015 is zonne-energie concurrerend met het stroomtarief voor consumenten’, verklaarde zonne-energie expert professor Wim Sinke vorig voorjaar in NRC Handelsblad. Sinke is verbonden aan het energieonderzoekscentrum ECN en aan de universiteit Utrecht. De snelle prijsdaling van zonnepanelen, die Sinke zelf ook had verrast, was volgens NRC het gevolg van de mondialisering van de zonnepanelenmarkt.

Een half jaar later werd die trend geïllustreerd door een investering van zeshonderd miljoen euro in een siliciumfabriek in Geleen (The Silicon Mine of TSM) door de Al Manhal groep uit Abu Dhabi. Eerder hadden Scheuten Solar (Venlo) en Solland Solar (Heerlen) zich ook al in Limburg gevestigd. Daarnaast is er een proeffabriek voor oprolbare dunne zonnecellen van Nuon-Helianthos in Arnhem.

“Ik zie een enorme beweging in die PV-wereld (photovoltaïsch, dus zonnecellen, red.)”, zegt prof.dr.ir. Miro Zeman. Hij leidt de groep photovoltaïsche materialen en devices (onder meer zonnecellen) binnen de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica. “Drie tot vier jaar geleden was er een enorme groei in de productie van kristallijne silicium zonnecellen. Dat leidde tot een tekort aan kristallijn silicium. Al in 2005 gebruikte de PV-industrie meer silicium dan de elektronica-industrie.” Dat had twee gevolgen: er werden siliciumfabrieken bij gebouwd en bovendien werden fabrikanten van zonnepanelen door het grondstoftekort gedwongen om het rendement van hun zonnecellen te verbeteren. Nu, weer drie jaar later, is de situatie zo dat de rendementen inderdaad verbeterd zijn én dat er weer volop silicium voorhanden is. Daarom verwacht Zeman een sterke verbetering van de prijsprestatie verhouding bij de zonnepanelen.

Onderzoek
Zeman is een bescheiden man. Op rustige toon zet hij de onderzoeksactiviteiten van zijn groep uiteen. Ook vertelt hij met zichtbaar genoegen over de nieuwe depositiemachine Amigo die in het Dimes-laboratorium staat en waarmee, uniek voor Nederland,  complete experimentele gestapelde zonnecellen volledig geautomatiseerd gemaakt kunnen worden. Maar hij zal niet gauw vertellen dat hij werd uitgeroepen tot meest ondernemende hoogleraar aan de TU (hij kreeg de Delft Entrepreneurial Scientist Award 2008), dat hij een succesvol aanvrager is bij het duurzame innovatiebureau AgentschapNL (voorheen SenterNovem) en dat onderzoeksinstellingen, industrieën en universiteiten over de hele wereld gebruikmaken van door hem ontwikkelde simulatiesoftware ASA (Advanced Semiconductor Analysis).

Zeman lééft in silicium, al sinds het begin van zijn promotieonderzoek aan de universiteit van Bratislava (Slowakije) vanaf 1983. Vanwege zijn expertise met amorf silicium kwam hij in 1989 naar Delft. In tegenstelling tot kristallijn silicium dat in standaard zonnecelen wordt toegepast, heeft amorf silicium geen kristalstructuur. Naast amorf silicium werkt hij ook met microkristallijn silicium waar kristalletjes van enkele tientallen nanometers tussen amorfe stof in zitten. Sinds 2009 leidt Zeman zijn eigen geheel op zonnecellen gerichte onderzoeksgroep.

Het onderzoek spitst zich toe op dunnefilm zonnecellen, een technologie met een grote belofte. De verwachting is dat dunnefilm cellen uiteindelijk de markt zullen domineren omdat het fabricageproces geschikt is om grotere oppervlakten tegelijk te maken.
Dunnefilm zonnecellen worden ‘gedeponeerd’ vanuit het gas silaan, waarvan de moleculen uit een siliciumatoom bestaan dat door vier waterstofatomen omringd wordt. Hoogfrequente straling breekt de silaanmoleculen in stukken waarna het silicium zich neervlijt op een drager. Het aangroeiende silicium krijgt een microkristallijne structuur als het silaan voldoende verdund wordt met waterstof. 

Zulke zonnecellen hebben belangrijke voordelen boven zonnecellen uit silicium schijfjes (groter oppervlak mogelijk, goedkoper te fabriceren en minder materiaal nodig), maar ze hebben ook een belangrijk nadeel: een lager rendement. Zeman en zijn groep ontwikkelen daarom onophoudelijk nieuwe manieren om het maximale uit een zonnecel te halen. Het liefst zou hij zien dat ieder foton een elektron op zou leveren. Zolang dat niet gebeurt verzinnen Zeman en collega’s tal van trucs om het foton niet kwijt te raken voordat het zijn energie overdraagt aan het silicium. (Zie kader)

Netwerk
De langstlopende samenwerking met de industrie is die met Nuon-Helianthos. De Arnhemse producent van dunnefilm zonnecellen maakte afgelopen augustus bekend een recordrendement van 9,1 procent behaald te hebben. Directeur GertJan Jongerden karakteriseert de samenwerking als volgt: “Voor nieuwe devices gaan wij uit van de architectuur die Zeman ontwikkelt. Wij maken er op een economisch verantwoorde wijze een industrieel product van. Dat is een heel aparte vertaalslag.”

Naast Nuon-Helianthos heeft Zeman projecten lopen met Solland, OM&T (Optical Media & Technology), met kennisinstellingen ECN en TNO en met TU Eindhoven. Hij merkt dat ook binnen de reguliere zonnecelindustrie belangstelling groeit voor technieken die materiaalgebruik verkleinen en rendement verhogen. De industrie gebruikt fundamentele kennis en het simulatieprogramma ASA vaak als kompas voor verbetering van hun producten.

Zo werkt Zeman al meer dan twintig jaar in alle bescheidenheid – maar in een uitgebreid netwerk – aan de vooruitgang van zonnecellen. Of nu het moment gekomen is dat zonne-energie definitief doorbreekt en er een einde komt aan de marginale rol die ze tot nu toe heeft gespeeld, kan niemand met zekerheid zeggen. Jongerden vat het eenvoudig samen: “De meest kritische factor is de prijs van elektriciteit. Die wordt bepaald door rendement, kosten van het systeem en de levensduur.” 

Fotonen kaatsen
De dunnefilm zonnecel wordt gemaakt op een steunlaag van glas of folie die bedekt is met een transparant stroomgeleidend oxide (TCO). Dan volgt een laag p-type silicium, een intrinsiek absorberende tussenlaag en een n-type laag. Bij elkaar nog geen halve micrometer silicium. Achter de n-laag zit een zilveren of aluminium laag die als reflector dient en als elektrode. Wanneer een foton een elektron losmaakt uit het silicium zal dat door het heersende elektrostatisch veld naar de n-laag getransporteerd worden.
Er zijn verschillende methoden bedacht om lichtdeeltjes zo efficiënt mogelijk in de intrinsieke siliciumlaag te vangen. Een van de manieren is om het glas van een tralie te voorzien, een regelmatig patroon van banen met onderlinge afstand van 500 nanometer. De tralie verstrooit het invallende licht. Die verstrooiing leidt tot hogere absorptie in de cel. Bovendien ontsnapt er bij reflectie aan de achterkant van de cel minder licht doordat de invalshoek van het licht vergroot is. Samen verhoogt dat de totale absorptie in de cel en daardoor ook het rendement (met 14 procent). De absorptie kan nog verder opgevoerd worden door de achterwand te voorzien van zilveren nanodeeltjes in de orde grootte van 0,1 micrometer die het terugkaatsende licht verstrooien.
Vervanging van de zilveren achterwand door een opeenvolging van verschillende op silicium gebaseerde lagen met uitgekiende dikten (kenners spreken over een fotonisch kristal) verhoogt de reflectie zonder verliezen te veroorzaken in de zilveren elektrode.

Lichtbestendig
Het rendement van een dunnefilm zonnecel valt in de eerste tijd met 20 tot 40 procent terug door beschadigingen die het zonlicht in het materiaal teweegbrengt. Onlangs ontdekte dr. Gijs van Elzakker (promovendus van Zeman) dat die terugval van rendement te beperken is tot 11 procent. Het absolute rendement van de cel valt dan van 9 procent terug tot een krappe 8 procent (in plaats van naar 7 procent). Elzakker bereikte dat door het silaan waaruit het silicium neerslaat sterk te verdunnen met waterstof. Dat vertraagt weliswaar de groei, maar het maakt de cel wel beter lichtbestendig.

Tandemcel
Die verdunning heeft nog een effect: de structuur van het gevormde silicium verandert van amorf naar microkristallijn, dat heel andere eigenschappen heeft.
De combinatie van amorf en microkristallijn silicium wordt optimaal benut in de zogenaamde tandemcel – een combinatie van twee dunnefilm zonnecellen op elkaar. De bovenste cel met amorf silicium (bandgat 1,7 eV) is vooral gevoelig voor blauw en groen licht. De onderste cel met microkristallijn silicium (bandgat 1,1 eV) vooral voor geel en (infra-) rood licht.
De tandemcel wordt wel gezien als de high-tech oplossing voor dunnefilm zonnecellen. Dr. Jan Gilot (TU/e) presenteerde afgelopen zomer een plastic tandemcel met rendement van 7,5 procent. Begin dit jaar maakte het Duitse bedrijf Leybold Optics  bij Frankfurt een stabiel rendement van 10,3 procent bekend voor hun tandemcellen met amorf en microkristallijn silicium.