Historie

Edmond Becquerel ontdekte reeds in 1839 dat zonlicht in stroom kan worden omgezet: het fotovoltaïsch (PV) effect. Hij gebruikte voor zijn experimenten metaalplaatjes in een geleidende vloeistof. Bijna veertig jaar later werd door Adams en Day bewezen dat het PV-effect ook op kan treden in een vast materiaal (selenium). Overigens was het Einstein die in 1905 de basis legde voor het begrip van het fotovoltaïsch effect. Niet voor zijn relativiteitstheorie, maar voor het inzicht dat een foton een elektron kan losmaken ontving hij 16 jaar later de Nobelprijs.

De basis voor de huidige siliciumtechnologie werd door Ohl in de Bell Laboratories gelegd. Hij ontdekte dat het PV effect alleen optreedt indien het silicium voldoende zuiver is en voorzien van opzettelijk toegevoegde doteringselementen. Technisch gesproken gaat het om het creëren van een zogenoemde p-n overgang die het mogelijk maakt de met het zonlicht opgewekte positieve en negatieve lading te scheiden. De p-n overgang is ook de basis van de werking van transistoren en computerchips. Geen toeval dus dat het halfgeleidende materiaal silicium in al deze toepassingen wordt gebruikt.

De eerste cellen hadden nog een uiterst lage opbrengst van minder dan 1%. Chapin, Fuller en Pearson bereikten in 1954 een doorbraak door op gecontroleerde manier p-n overgangen te maken (middels fosfordiffusie). Het rendement stijgt al snel naar meer dan 10%. Deze dure cellen vinden in het begin vooral toepassing in de ruimtevaart. Al in 1958 werd de Vanguard satelliet uitgerust met zonnecellen (12% rendement). Tot 1980 werd de techniek verder geperfectioneerd, en deden ook andere materialen dan kristallijn silicium hun intrede. Het rendement van kristallijn silicium zonnecellen in de vorm van plakken (‘wafers’) werd opgevoerd tot 17%.

Zuiver silicium met een hoge kristalkwaliteit is goed voor het maken van zonnecellen, maar ook kostbaar. Sinds decennia (vooral sinds de jaren ’70) wordt daarom onderzoek gedaan aan andere materialen, in de vorm van dunne films. Bekende voorbeelden zijn amorf silicium, koper-indium/gallium-selenium/zwavel (CIGSS) en cadmiumtelluride (CdTe). Die materialen absorberen het licht over het algemeen heel sterk en daarom is er maar weinig van nodig. Ze worden aangebracht op glas, metaal of zelfs plastic. Zulke zonnepanelen zouden daarom goedkoper gemaakt kunnen worden van kristallijn silicium zonnepanelen, tenminste als ze een voldoende hoog rendement halen en op grote schaal worden geproduceerd. De laatste 15 jaar worden ook organische materialen onderzocht op hun bruikbaarheid voor zonnecellen. Het gaat daarbij om kleurstoffen en polymeren. Het rendement van sommige materialen (kristallijn Si, GaAs) ligt in het laboratorium inmiddels dicht bij het theoretische maximum (circa 25%) en het onderzoek bij kristallijn silicium is er vooral op gericht de rendementen in commerciële productie daarbij zo dicht mogelijk in de buurt te krijgen. Combinaties van materialen worden in zogenaamde tandemcellen gestapeld om elkaar aan te vullen bij de omzetting van verschillende kleuren licht. Het hoogste rendement ooit gerealiseerd is voor zo’n cel, onder geconcentreerd zonlicht (40,7% door Boeing Spectrolab, eind 2006) dit is één van de routes op weg naar de Heilige Graall van de zonneceltechnologie: supercellen met een rendement tot 85%.