Aan de TU werken twee wetenschappelijke groepen aan zonnecellen die per vierkante meter voor Hema-prijzen over de toonbank moeten gaan. Want zolang de fabricage van zonnecellen duur blijft, wagen alleen idealisten en subsidiejagers zich aan een paneel.
/strong>
Sinds kort is de grote goeroe op het gebied van de moderne zonnecel, Michael Graetzel, gasthoogleraar aan de TU. Zijn Graetzelcel maakte hem na jarenlang monnikenwerk wereldberoemd en werkt naar het voorbeeld van een plant. De cel heeft als actief materiaal kleurstofmoleculen die het zonlicht opvangen en werkt zonder ultrazuiver silicium, de stof die de huidige generatie zonnecellen zo duur maakt.
De sectie anorganische chemie maakt onder leiding van Joop Schoonman een eigen variant op deze Graetzelcel, de Delftzonnecel, waarop de groep patent wil aanvragen. Enkele weken geleden kreeg de zonnecelgroep anderhalf miljoen euro van het Nederlands onderzoekcentrum voor Energie en Milieu (Novem) om zijn zonnecel, gedrukt op vierkante meters folie, zo goedkoop mogelijk uit de fabriek te laten rollen.
“De doorbraak voor zonne-energie moet in een goedkope productiemethode komen”, zegt dr. Albert Goossens, staflid van de sectie anorganische chemie. “Dat is waar we de komende drie jaar met het geld van Novem aan willen werken. Het moet in de toekomst mogelijk worden om bijvoorbeeld zonnecellen als een soort autolak op een oppervlak aan te brengen.” Exacte details wil hij in verband met de patentaanvraag niet geven.
Goossens wil de komende jaren de kosten van een zonnepaneel minstens met een factor tien omlaag brengen. “Je moet nu wel een idealist zijn, wil je een zonnepaneel aanschaffen. Eén paneel van silicium op je dak kost bijna duizend euro, terwijl je jaarlijks hooguit tien euro op je energierekening bespaart. Bovendien is voor de productie van siliciumcellen zoveel energie nodig, dat je pas na drie jaar gebruik evenveel energie hebt opgewekt als je er in de fabriek hebt ingestopt.” Dit is de zogeheten energieterugverdientijd, die bij de Graetzelcel al veel lager ligt, namelijk acht maanden.
Fabricage van siliciumzonnecellen vreet geld en energie. Het spul moet verhit worden tot 1400 graden Celsius om in de gewenste vorm gegoten te worden. De hoge zuiverheid maakt productie noodzakelijk in dure leanrooms, want één vuiltje blokkeert al de elektronenstroom. Daarbij komt dat de oorspronkelijke grondstof, silicium van afval uit de computerindustrie, niet meer voldoende op voorraad is. Er worden tegenwoordig veel meer zonnecellen gemaakt dan er afgedankt silicium beschikbaar is.
Eén-centzonnecel
Om een doorbraak in zonne-energie te krijgen gelooft Goossens niet in het alsmaar opvoeren van het rendement van een zonnecel. “Met het openen van een trukendoos is men in staat om het rendement van een siliciumcel op te schroeven van vijftien naar twintig tot vijfentwintig procent”, zegt Goossens. “Dat geeft wel een vervijfvoudiging in de kosten en die zijn nu het probleem. Waar we naartoe moeten is juist die één-centzonnecel die je in je strandmatje verwerkt om je bier op het strand te koelen.”
Rond de tien procent rendement is voor een zonnecel in een oprolbaar strandmatje wel genoeg. “Wij zitten nu op vier procent en als we de grootste bottlenecks hebben gevonden kan dat wel acht procent worden. Veel hoger hoeft niet per se, want dan wordt de productie te duur en wil niemand de cellen kopen.”
Roll-to-roll-fabricage is de methode waarop de hoop van zonnecelvoorstanders is gevestigd. Op dunne vellen aluminiumfolie worden het zonnecelmateriaal en de elektrodes aangebracht. De vellen die zo ontstaan, zijn flexibel en kunnen op elk oppervlak – bijvoorbeeld een golfplaten dak – aangebracht worden.
Anorganische chemie is niet de enige groep die ‘zonnevellen’ probeert te maken die per vierkante meter uit de fabriek rollen. Bij Dimes werkt de groep van dr. Miro Zeman en dr. Wim Metselaar met Shell Solar en Akzo samen om goedkope buigzame zonnecellen te ontwerpen. Als actieve stof wordt amorfsilicium gebruikt, de buigzame variant van kristallijnsilicium dat nu nog in negentig procent van alle zonnepanelen wereldwijd gebruikt wordt.
Belangrijk bij het aanbrengen van dit silicium is dat dit zo dun mogelijk gebeurt. “In de fabriek breng je een laagje van tien nanometer homogeen aan op een laag van vier vierkante meter folie”, zegt Zeman. “De folie rolt door de machine terwijl het silicium in gasfase aan de folie hecht. Met deze methode, plasmadepositie, kan de actieve laag die het zonlicht opvangt duizend maal dunner worden aangebracht worden dan de halve millimeter dikke laag silicium bij gewone zonnecellen. Met een dunnere laag silicium zet je efficiënter zonlicht om in stroom en je hebt minder silicium nodig.”
In het lab haalt Zeman nu een rendement van elf procent, met een velletje amorfsilicium van ongeveer tien vierkante centimeter. Dit rendement is alleen vlak na de fabricage zo hoog. Na twee maanden gebruik neemt de stroomproductie af tot een rendement van acht procent. Het silicium degradeert namelijk bij belichting door zonlicht.
Op fabrieksschaal wordt dit zes procent, maar dit moet door meer onderzoek opgeschroefd worden.
Volgens Zeman kan een veel hoger rendement gehaald worden door het gebruik van verschillende materialen. “Ik verwacht dat het met nog tien procent omhoog kan als je verschillende materialen over elkaar heen gebruikt. Met verschillende stoffen kun je veel meer golflengtes uit het zonlicht vangen om energie op te wekken, dan wanneer je alleen silicium gebruikt.”
Gouden ei
Wereldwijd is de competitie losgebrand wie nu de meest efficiënte en goedkope zonnecel kan maken. Graetzel ligt voorlopig aan kop. Met zijn groep in Lausanne werkt hij aan de verbetering van zijn eigen Graetzelcel, die nu tien procent rendement geeft. “We hebben wel de ambitie om Graetzel hierin te verslaan”, zegt Goossens over hem. “Uiteindelijk willen we wereldwijd dezelfde uitstraling krijgen met de Delftzonnecel als wat hij in Lausanne met de Graetzelcel heeft bereikt.”
Het gouden ei dat Graetzel in 1991 vond bleek de elektrode, die hij maakte van bolletjes titaniumoxide van enkele nanometers groot. Deze witte stof zit ook in latex muurverf, is makkelijk te maken en zit ook in de Delftse zonnecel.
De Graetzelcel heeft echter een onpraktische kant die de sectie anorganische chemie wil verbeteren. “Graetzel gebruikt een vloeibare elektrolytoplossing die de stroom moet geleiden”, zegt Goossens. “Dat is kwetsbaar bij volle zon op het dak, want de temperatuur kan oplopen tot zeventig graden en je krijgt dan allemaal chemische reacties. Ook al zegt Graetzel dat je de cel net zo goed in plastic folie kunt beschermen, wij denken dat het toch een barrière is om op echt grote schaal zonnecellen te produceren. Je moet onverwoestbaar materiaal hebben. Daarom domineert keramisch materiaal als silicium nog steeds de markt.”
Goossens en de anorganische chemiegroep proberen daarom een zonnecel te ontwikkelen die is gemaakt van vaste stof. Die moet de vloeistof vervangen en het rendement behouden. Een lastige klus. “Een vloeistof kruipt overal in en is makkelijk als elektrolyt aan te brengen”, zegt Goossens. “Maar om een vaste stof in laagjes op nanoschaal aan te brengen, moet je met gassen werken. Wij laten daarom laagje voor laagje verschillende gassen met elkaar reageren tot je een film krijgt met de eindstof, het lichtgevoelige en stroomgeleidende materiaal dat je wilt hebben. De uitdaging is nu een stof of een structuur te vinden die het beste de elektronen geleidt.”
Deze methode, het laagje voor laagje vaste stoffen over elkaar aanbrengen met een gas, is bij anorganische chemie ontwikkeld. Atomic layer deposition heet de truc, en die heeft de groep zoveel bekendheid gegeven dat hij Graetzel naar Delft lokte. De professor kwam namelijk niet alleen voor de gezelligheid, maar wilde graag de kunst afkijken voor zijn eigen onderzoek in Lausanne.
De groep gebruikt nu laagjes van koperindiumsulfide van twintig nanometer dikte als lichtgevoelig en stroomgeleidend materiaal, met een tussenlaagje van indiumsulfide. “Dat tussenlaagje bleek bij ons een bottleneck”, zegt Goossens. “Toen we dat ontdekten konden we in één keer het rendement verdubbelen naar vier procent. Zo willen we langzaam één voor één alle bottlenecks elimineren zodat we volgend jaar, ik noem maar een gelukkig getal, al op acht procent zitten. Ik denk dat het wel kan. Eerst vierden we al feest bij één procent, bij twee procent was het alweer feest, en zo kom je steeds een stap verder.”
Aan de TU werken twee wetenschappelijke groepen aan zonnecellen die per vierkante meter voor Hema-prijzen over de toonbank moeten gaan. Want zolang de fabricage van zonnecellen duur blijft, wagen alleen idealisten en subsidiejagers zich aan een paneel.
Sinds kort is de grote goeroe op het gebied van de moderne zonnecel, Michael Graetzel, gasthoogleraar aan de TU. Zijn Graetzelcel maakte hem na jarenlang monnikenwerk wereldberoemd en werkt naar het voorbeeld van een plant. De cel heeft als actief materiaal kleurstofmoleculen die het zonlicht opvangen en werkt zonder ultrazuiver silicium, de stof die de huidige generatie zonnecellen zo duur maakt.
De sectie anorganische chemie maakt onder leiding van Joop Schoonman een eigen variant op deze Graetzelcel, de Delftzonnecel, waarop de groep patent wil aanvragen. Enkele weken geleden kreeg de zonnecelgroep anderhalf miljoen euro van het Nederlands onderzoekcentrum voor Energie en Milieu (Novem) om zijn zonnecel, gedrukt op vierkante meters folie, zo goedkoop mogelijk uit de fabriek te laten rollen.
“De doorbraak voor zonne-energie moet in een goedkope productiemethode komen”, zegt dr. Albert Goossens, staflid van de sectie anorganische chemie. “Dat is waar we de komende drie jaar met het geld van Novem aan willen werken. Het moet in de toekomst mogelijk worden om bijvoorbeeld zonnecellen als een soort autolak op een oppervlak aan te brengen.” Exacte details wil hij in verband met de patentaanvraag niet geven.
Goossens wil de komende jaren de kosten van een zonnepaneel minstens met een factor tien omlaag brengen. “Je moet nu wel een idealist zijn, wil je een zonnepaneel aanschaffen. Eén paneel van silicium op je dak kost bijna duizend euro, terwijl je jaarlijks hooguit tien euro op je energierekening bespaart. Bovendien is voor de productie van siliciumcellen zoveel energie nodig, dat je pas na drie jaar gebruik evenveel energie hebt opgewekt als je er in de fabriek hebt ingestopt.” Dit is de zogeheten energieterugverdientijd, die bij de Graetzelcel al veel lager ligt, namelijk acht maanden.
Fabricage van siliciumzonnecellen vreet geld en energie. Het spul moet verhit worden tot 1400 graden Celsius om in de gewenste vorm gegoten te worden. De hoge zuiverheid maakt productie noodzakelijk in dure leanrooms, want één vuiltje blokkeert al de elektronenstroom. Daarbij komt dat de oorspronkelijke grondstof, silicium van afval uit de computerindustrie, niet meer voldoende op voorraad is. Er worden tegenwoordig veel meer zonnecellen gemaakt dan er afgedankt silicium beschikbaar is.
Eén-centzonnecel
Om een doorbraak in zonne-energie te krijgen gelooft Goossens niet in het alsmaar opvoeren van het rendement van een zonnecel. “Met het openen van een trukendoos is men in staat om het rendement van een siliciumcel op te schroeven van vijftien naar twintig tot vijfentwintig procent”, zegt Goossens. “Dat geeft wel een vervijfvoudiging in de kosten en die zijn nu het probleem. Waar we naartoe moeten is juist die één-centzonnecel die je in je strandmatje verwerkt om je bier op het strand te koelen.”
Rond de tien procent rendement is voor een zonnecel in een oprolbaar strandmatje wel genoeg. “Wij zitten nu op vier procent en als we de grootste bottlenecks hebben gevonden kan dat wel acht procent worden. Veel hoger hoeft niet per se, want dan wordt de productie te duur en wil niemand de cellen kopen.”
Roll-to-roll-fabricage is de methode waarop de hoop van zonnecelvoorstanders is gevestigd. Op dunne vellen aluminiumfolie worden het zonnecelmateriaal en de elektrodes aangebracht. De vellen die zo ontstaan, zijn flexibel en kunnen op elk oppervlak – bijvoorbeeld een golfplaten dak – aangebracht worden.
Anorganische chemie is niet de enige groep die ‘zonnevellen’ probeert te maken die per vierkante meter uit de fabriek rollen. Bij Dimes werkt de groep van dr. Miro Zeman en dr. Wim Metselaar met Shell Solar en Akzo samen om goedkope buigzame zonnecellen te ontwerpen. Als actieve stof wordt amorfsilicium gebruikt, de buigzame variant van kristallijnsilicium dat nu nog in negentig procent van alle zonnepanelen wereldwijd gebruikt wordt.
Belangrijk bij het aanbrengen van dit silicium is dat dit zo dun mogelijk gebeurt. “In de fabriek breng je een laagje van tien nanometer homogeen aan op een laag van vier vierkante meter folie”, zegt Zeman. “De folie rolt door de machine terwijl het silicium in gasfase aan de folie hecht. Met deze methode, plasmadepositie, kan de actieve laag die het zonlicht opvangt duizend maal dunner worden aangebracht worden dan de halve millimeter dikke laag silicium bij gewone zonnecellen. Met een dunnere laag silicium zet je efficiënter zonlicht om in stroom en je hebt minder silicium nodig.”
In het lab haalt Zeman nu een rendement van elf procent, met een velletje amorfsilicium van ongeveer tien vierkante centimeter. Dit rendement is alleen vlak na de fabricage zo hoog. Na twee maanden gebruik neemt de stroomproductie af tot een rendement van acht procent. Het silicium degradeert namelijk bij belichting door zonlicht.
Op fabrieksschaal wordt dit zes procent, maar dit moet door meer onderzoek opgeschroefd worden.
Volgens Zeman kan een veel hoger rendement gehaald worden door het gebruik van verschillende materialen. “Ik verwacht dat het met nog tien procent omhoog kan als je verschillende materialen over elkaar heen gebruikt. Met verschillende stoffen kun je veel meer golflengtes uit het zonlicht vangen om energie op te wekken, dan wanneer je alleen silicium gebruikt.”
Gouden ei
Wereldwijd is de competitie losgebrand wie nu de meest efficiënte en goedkope zonnecel kan maken. Graetzel ligt voorlopig aan kop. Met zijn groep in Lausanne werkt hij aan de verbetering van zijn eigen Graetzelcel, die nu tien procent rendement geeft. “We hebben wel de ambitie om Graetzel hierin te verslaan”, zegt Goossens over hem. “Uiteindelijk willen we wereldwijd dezelfde uitstraling krijgen met de Delftzonnecel als wat hij in Lausanne met de Graetzelcel heeft bereikt.”
Het gouden ei dat Graetzel in 1991 vond bleek de elektrode, die hij maakte van bolletjes titaniumoxide van enkele nanometers groot. Deze witte stof zit ook in latex muurverf, is makkelijk te maken en zit ook in de Delftse zonnecel.
De Graetzelcel heeft echter een onpraktische kant die de sectie anorganische chemie wil verbeteren. “Graetzel gebruikt een vloeibare elektrolytoplossing die de stroom moet geleiden”, zegt Goossens. “Dat is kwetsbaar bij volle zon op het dak, want de temperatuur kan oplopen tot zeventig graden en je krijgt dan allemaal chemische reacties. Ook al zegt Graetzel dat je de cel net zo goed in plastic folie kunt beschermen, wij denken dat het toch een barrière is om op echt grote schaal zonnecellen te produceren. Je moet onverwoestbaar materiaal hebben. Daarom domineert keramisch materiaal als silicium nog steeds de markt.”
Goossens en de anorganische chemiegroep proberen daarom een zonnecel te ontwikkelen die is gemaakt van vaste stof. Die moet de vloeistof vervangen en het rendement behouden. Een lastige klus. “Een vloeistof kruipt overal in en is makkelijk als elektrolyt aan te brengen”, zegt Goossens. “Maar om een vaste stof in laagjes op nanoschaal aan te brengen, moet je met gassen werken. Wij laten daarom laagje voor laagje verschillende gassen met elkaar reageren tot je een film krijgt met de eindstof, het lichtgevoelige en stroomgeleidende materiaal dat je wilt hebben. De uitdaging is nu een stof of een structuur te vinden die het beste de elektronen geleidt.”
Deze methode, het laagje voor laagje vaste stoffen over elkaar aanbrengen met een gas, is bij anorganische chemie ontwikkeld. Atomic layer deposition heet de truc, en die heeft de groep zoveel bekendheid gegeven dat hij Graetzel naar Delft lokte. De professor kwam namelijk niet alleen voor de gezelligheid, maar wilde graag de kunst afkijken voor zijn eigen onderzoek in Lausanne.
De groep gebruikt nu laagjes van koperindiumsulfide van twintig nanometer dikte als lichtgevoelig en stroomgeleidend materiaal, met een tussenlaagje van indiumsulfide. “Dat tussenlaagje bleek bij ons een bottleneck”, zegt Goossens. “Toen we dat ontdekten konden we in één keer het rendement verdubbelen naar vier procent. Zo willen we langzaam één voor één alle bottlenecks elimineren zodat we volgend jaar, ik noem maar een gelukkig getal, al op acht procent zitten. Ik denk dat het wel kan. Eerst vierden we al feest bij één procent, bij twee procent was het alweer feest, en zo kom je steeds een stap verder.”
Comments are closed.