Goedkopere zonnecellen door nanotechnologie

Zonnecellen goedkoper maken doordat ze dunner kunnen. Dat probeert Frank Lenzmann van ECN te bereiken. In een NanoNextNL project onderzocht Lenzmann met de onderzoeksgroep van Albert Polman van AMOLF of nanostructuren ervoor kunnen zorgen dat een zonnecel evenveel licht invangt met dunnere lagen van het dure silicium.

Read this highlight
  • EN
  • NL
  • Select other language

foto: Shutterstock

‘Ongeveer vijfentwintig procent van de kosten van een zonnepaneel komen uit de materiaalkosten van het gebruikte silicium,’ vertelt Frank Lenzmann. ‘Daarom proberen we er met slimme technologie voor te zorgen dat we minder silicium nodig hebben om een minstens even efficiënte zonnecel te maken.’ Daarnaast is er een milieuvoordeel: silicium wordt gewonnen uit zand, waarin het voorkomt als siliciumdioxide. Om daar zuiver silicium van te maken, heb je hoge temperaturen nodig. Ook komt er bij het proces CO2 vrij. Hoe minder silicium je nodig hebt, hoe minder belastend het productieproces is voor het milieu. Overigens zijn ook de huidige zonnepanelen al veel milieuvriendelijker dan de elektriciteit opgewekt in kolen- of gascentrales.

Hoe meer licht, hoe meer elektriciteit

Zonnepanelen zetten de energie uit zonlicht direct om in elektriciteit. In de meest voorkomende zonnepanelen bestaat het basismateriaal van de zonnecellen uit vierkante plakken (wafers) van kristallijn silicium. Invallend licht zorgt ervoor dat elektronen uit het silicium losraken, en door de zonnecel heen naar de elektrische aansluitingen reizen. Dit levert een elektrische stroom op. Hoe meer lichtdeeltjes het paneel kan invangen, hoe meer elektronen er worden vrijgemaakt, en hoe meer stroom er gaat lopen.

Samenwerking

In het NanoNextNL-project brachten de onderzoekers nanostructuren aan op de onder- of bovenkant van een zonnecel. Zo konden zij het licht zodanig manipuleren dat het optimaal opgevangen wordt in de foto-actieve laag waarin de elektriciteit wordt gegenereerd. Bij AMOLF bepaalden de wetenschappers zowel met simulaties als met experimenten welk type nanostructuur hiervoor de beste eigenschappen heeft. ECN ontwikkelde vervolgens een aangepast productieproces om deze structuren in de zonnecellen te integreren.

In beide soorten zonnecellen leidt de toepassing van fotonische nanostructuren tot hetzelfde of zelfs een hoger rendement met minder materiaal. Dit zou uiteindelijk voordelig kunnen zijn voor de kostprijs van de zonnecellen.

Toepassing op verschillende typen zonnecellen

De onderzoekers bestudeerden het effect van de nanostructuren in verschillende soorten zonnecellen. Naast de al genoemde kristallijne silicium zonnecellen werden ook de veel dunnere zogeheten dunne-filmzonnecellen onderzocht. ‘Ruwweg negentig procent van de huidige markt bestaat uit kristallijne siliciumzonnecellen. Dat zijn de meestal donkerblauw of zwart ogende panelen die je overal op de daken ziet. Er bestaan ook dunne-filmzonnecellen, waarin dunne lagen van opgedampt halfgeleidermateriaal de foto-actieve laag vormen. In beide soorten zonnecellen leidt de toepassing van fotonische nanostructuren tot hetzelfde of zelfs een hoger rendement met minder materiaal. Dit zou uiteindelijk voordelig kunnen zijn voor de kostprijs van de zonnecellen,’ legt Lenzmann uit.

Vervolgstappen en uitdagingen

Voor beide typen zonnecellen blijkt de toepassing van nanostructuren dus mogelijke voordelen te bieden. Ook een geschikte productietechniek voor de nanostructuren is al in zicht. Marc Verschuuren van SCIL Nanoimprint Solutions (een venture binnen Philips), ontwikkelt een nieuwe technologie om nanopatronen snel, goedkoop en reproduceerbaar te kunnen maken met behulp van een stempeltechniek.

Goedkoper, sneller en minder veeleisend

‘Onze technologie is goedkoper dan bestaande lithografietechnieken, stukken sneller dan patronen schrijven met een elektronenbundel, en we kunnen er kilometers aan oppervlak mee voorzien van nanostructuren,’ vertelt Verschuuren. ‘We kunnen inmiddels al structuren met afmetingen van tien nanometer stempelen, wat meer dan voldoende is voor de toepassing in zonnecellen. Daarnaast maakt het voor onze stempels niet uit als er een vuiltje op het te beschrijven oppervlak ligt, waardoor we gewoon bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk kunnen werken.’

Naar volumeproductie

Als zonnecellen steeds dunner worden, zullen ze ook sneller breken. Maar ook dat is geen probleem wat Verschuuren betreft: ‘Onze stempeltechniek is heel subtiel, we hoeven geen grote krachten uit te oefenen. Dat is uniek voor een contacttechniek als deze.’ Op dit moment is SCIL Nanoimprint Solutions bezig om zijn nano-imprinting techniek geschikt te maken voor volumeproductie. ‘Deze samenwerking met ECN en AMOLF is een goede manier om de mogelijkheden van onze technologie te laten zien aan potentiële klanten,’ zegt Verschuuren. Na afloop van het NanoNextNL-project blijven de drie partijen dan ook verder werken aan een vervolg.

Haalbaarheid

Het in kaart brengen van de economische haalbaarheid van de projectresultaten wordt nu onderzocht, vertelt Lenzmann. ‘In de zonnepanelenmarkt wordt erg op prijs geconcurreerd. Voor de toepassing van fotonische structuren zijn veranderingen in het productieproces nodig. Ook moeten fabrikanten aanvullende apparatuur aanschaffen. We gaan nu eerst goed analyseren wanneer dat zou lonen.’

Meer informatie

A benchmarking study: Plasmonic light-trapping in a-Si:H solar cells by front-side Ag nanoparticle arrays
Artikel Imprintlithografie stempelt nanostructuren in grote oppervlakken (bron: Mechatronica & Machinebouw)