Superefficiënte zonnecellen? Stapel ze op elkaar

“De zon is wereldwijd de grootste leverancier van groene energie”, legt Olindo Isabella uit. “Als je kijkt naar duurzaamheid, betrouwbaarheid en prijs, staat de zon ruim op kop, ook vergeleken met andere groene bronnen zoals windenergie. Geen draaiende delen, het licht staat altijd ‘aan’ en de techniek heeft zich al jaren bewezen als betrouwbaar, duurzaam en relatief eenvoudig. En mede dankzij ons werk worden zonnecellen steeds beter.”

‘Zonnecellen kunnen nauwelijks efficiënter, ze benaderen de theoretische limiet’

Om dat ‘steeds beter’ in perspectief te plaatsen: inmiddels is de laatste generatie ‘Delftse’ enkelvoudige zonnecellen – met één halfgeleiderlaag – in staat om in ideale omstandigheden bijna 24 procent van het gevangen licht om te zetten in elektrische energie. “Efficiënter is nauwelijks mogelijk, ze benaderen de theoretische limiet”, verklaart Isabella. “Maar door te werken met meervoudige zonnecellen, met dubbele of meerdere lagen halfgeleiders, valt er nog wél winst te behalen.”

Silicium en perovskiet combineren

Om uit te leggen hoe dat mogelijk is, moeten we kort de theorie induiken. In de wereld van zonnepanelen domineren twee materialen die op grote schaal en relatief betaalbaar kunnen worden gebruikt als ‘energiecentrale’ in een zonnecel: silicium en perovskiet. De eerste technologie is het bekendst en wordt al jaren veel toegepast in zonnepanelen.

Perovskiettechnologie verwijst naar een familie van materialen die veel dunner zijn dan silicium. Het is een relatief nieuwe technologie die niet alleen op silicium, maar ook op glas of flexibel plastic kan worden aangebracht. De lagen kunnen veel dunner worden gemaakt en zijn effectief binnen een breder spectrum van lichtfrequenties.

Beide technologieën zijn zeer geschikt, maar het wordt pas echt interessant wanneer je ze combineert. Isabella: “Een zonnepaneel met een silicium onderlaag, gecombineerd met één of meer perovskiet-bovenlagen, behaalt een veel hoger rendement, met theoretische waarden van ruim boven de 40 procent. Met een siliciumcel van een partner gecombineerd met een perovskiet-topcel hebben we onlangs rendementen van bijna 33 procent bereikt. We optimaliseren dat proces nu verder met onze eigen perovskiettechnologie, bijvoorbeeld door ervoor te zorgen dat elke laag precies die lichtfrequenties opvangt die het hoogste rendement opleveren.”

Recyclebaarheid van het materiaal

Naast de race naar een hoger rendement, valt er nog meer te innoveren aan de zonnecel. Recyclebaarheid van het materiaal bijvoorbeeld: momenteel gaat een sililciumpaneel, met uitzondering van kunststof aansluitdoos en metalen frame, meestal door de shredder om als vulstof weer op te duiken in asfalt. Wereldwijd maken zonnepanelen nu al 8 procent uit van al het e-waste. Zonde van het materiaal, zo’n lineaire levensduur.

Postdoctoraal onderzoeker Urvashi Bothra (eveneens EWI) heeft zich daarom gestort op het ontwikkelen van een zonnecel die circulair door het leven gaat. Bothra: “In plaats van de lagen met lijm aan elkaar te bevestigen, onderzoeken we het gebruik van een vloeistof als vulmiddel tussen glas en zonnecel. Die vloeistof kun je eenvoudig verwijderen, waardoor zo’n paneel makkelijker te recyclen is. Bovendien behoudt de vloeistof de optische prestaties van het paneel en helpt deze de cel te koelen, wat de efficiëntie verhoogt.”

Superruw en extreem matzwart

De zonnecel zelf valt moeilijker mechanisch te scheiden in afzonderlijke delen, omdat de lagen waaruit deze bestaan, zoals top- en onderlaag, silicone absorptielaag en metalen contactdelen, met lijm aan elkaar verbonden zijn.

‘Goedkopere materialen en eenvoudigere productiemethoden helpen om zonnepanelen nog toegankelijker te maken’

Toch wordt ook hier flink aan gewerkt, door promovenda Katarina Kovačević (faculteit EWI), die zich richt op vereenvoudigde en duurzame productieprocessen voor de gangbare kristallijne siliciumzonnecellen. Zij wist het aantal processtappen bij de productie van haar zonnecellen terug te brengen van negen naar zes. Ook ontwikkelde ze met succes een geleidende koperlaag als alternatief voor het duurdere zilver in de metalen contacten. Kovačević: “Goedkopere materialen en eenvoudigere productiemethoden helpen om zonnepanelen nog toegankelijker te maken. Minder materialen maken recycling bovendien eenvoudiger.”

Kovačević werkte ook aan de efficiëntie door een nieuwe toplaag voor zonnecellen te ontwikkelen die extreem matzwart is. Ze legt uit: “Hoe minder licht een cel reflecteert, hoe meer licht beschikbaar blijft voor de halfgeleider. Voor dit nieuwe ontwerp gebruiken we siliciumdioxide, een materiaal dat op microscopisch niveau extreem ruw kan worden gemaakt. Daardoor wordt vrijwel geen licht teruggekaatst.”

Acht keer productiecapaciteit Borssele

“Zonnepanelen worden steeds beter, accutechnologie steeds goedkoper, we maken grote stappen”, concludeert Isabella. “Om je een idee te geven: in één jaar tijd hebben we in Nederland met zonnepanelen al acht keer de productiecapaciteit van de kerncentrale in Borssele geïnstalleerd. En nu batterijen beter, krachtiger en toegankelijker worden, kunnen we overtollige energie op zonnige dagen ook beter opslaan. Zeker als we gebruikmaken van ‘vehicle-to-grid’-technologie, waarbij elektrische auto’s functioneren als thuisbatterij of energieopslag voor de wijk.”

De toekomst van zonne-energie ziet er dan ook zonnig uit, wat Isabella betreft. “Als we energie wereldwijd duurzaam, bereikbaar en betaalbaar willen houden, is dit echt onze beste optie.”