Achtergrond
Potentieel
TechniekDe 2e generatie: dunne laag zonnecellen
Silicium is een aantrekkelijk materiaal doordat het in onuitputtelijke voorraden aanwezig is: het wordt uit zand gewonnen. Als het niet in de dure, zuivere, kristallijne vorm hoeft te worden toegepast biedt het ook voor de lange termijn een aantrekkelijk perspectief. In de jaren ’70 werd ontdekt dat ook amorf (niet-geordend) silicium geschikt is als halfgeleider in zonnecellen, al worden hier lagere opbrengsten mee gehaald. Op het moment dat er geen kristallen hoeven te worden gevormd kan het materiaal bij veel lagere temperaturen worden verwerkt (rond de 200 °C) waardoor het energiegebruik tijdens de productie 2 tot 3 maal lager is dan bij de kristallijne cellen. Bovendien kunnen met nieuwe processen hier veel dunnere lagen van worden gemaakt. Sinds eind jaren '70 zijn op amorf silicium gebaseerde zonnecellen beschikbaar met een dikte van minder dan 1 micrometer: 100 tot 300 maal dunner dan de kristallijne siliciumlagen van de 1e generatie.
- Figuur 16: Dunnelaag zonnecellen op flexibele en starre dragers.
Deze dunne lagen kunnen op diverse (flexibele) dragermaterialen worden aangebracht door de lagere bewerkingstemperatuur. Hierdoor ontstaan lichtgewicht, weinig kwetsbare systemen met betere toepassingsmogelijkheden, die ook eenvoudiger over grote afstanden zijn te transporteren om ver afgelegen gebieden op grotere schaal van zonneceltechnologie te voorzien. Dunnelaagtechnologie maakt op dit moment wereldwijd een stormachtige ontwikkeling door. Het marktaandeel bedraagt momenteel 5-9% maar groeit sterk door de betere prijs-prestatieverhouding dan de (huidige) kristallijne wafels.
Bij de dunnelaagtechnologie speelt het aanbrengen van de zongevoelige laag met het zogenaamde depositieproces een sleutelrol. Momenteel zijn vrijwel alle processen van het Chemical Vapour Deposition (CVD) type, waarbij Plasma Enhanced CVD op dit moment het meest wordt toegepast. Bij CVD worden losse moleculen in een gasfase gebracht waarvan de relevante op het dragermateriaal (substraat) worden aangebracht. Bij plasma enhanced CVD worden de elektronen in het chemische gasmengsel versneld die in botsing komen met de aanwezige moleculen en zo losse atomen maken die vervolgens op het dragermateriaal worden gefixeerd. Deze techniek maakt het dus mogelijk om relatief eenvoudig met mengsels van uitéénlopende atomen/chemische verbindingen te spelen en de structuur van de aangebrachte lichtgevoelige laag te beïnvloeden. Door toevoeging van bijvoorbeeld fosfor en borium aan het mengsel kunnen de n-type en p-types materialen worden gemaakt. Ook is het mogelijk silicium in combinatie met andere atomen betere elektrische eigenschappen te geven. Vooral een legering met waterstof (het zogenaamde gehydrogeneerd amorf silicium, a-Si:H) heeft uitstekende eigenschappen voor toepassing in zonnecellen. Daarnaast wordt ook dunne film nanokristallijn silicium (f-Si) toegepast, waarin de amorfe siliciumstructuur gecombineerd wordt met uiterst kleine strak geordende nano-kristallijne structuren van slechts enkele tientallen nanometers, zie figuur 17).
- Figuur 17: Verschillende siliciumroosters. Links: kristallijn; Midden: amorf; Rechts: microkristallijn, uiterst kleine (nano-)kristallijne gebieden ingebed in amorf silicium.
- Figuur 18: De nieuwe, snelle, opdamptechniek: expanding thermal plasma chemical vapour deposition (ETP-CVD). Experimentele opstelling bij de TU Delft waarmee proefzonnecellen kunnen worden gemaakt.
Met de (PE)CVD techniek kunnen grote oppervlaktes (meer dan 1 m2) van homogene lagen worden voorzien, en kunnen bovendien meerdere lagen over elkaar heen worden aangebracht. Aantrekkelijk is ook de mogelijkheid om het proces continu uit te voeren. Een rol dragermateriaal wordt door de machine gehaald waar de zonnecellaag er op wordt gedampt. Een bezwaar is nog dat het aanbrengen van de laag langzaam gaat. Nieuwe technieken worden momenteel onder meer aan de Universiteit van Utrecht en de Technische Universiteiten van Eindhoven en Delft ontwikkeld die hier verbetering in moeten brengen. Het gaat dan om de zogenaamde hot wire CVD (HW-CVD) en expanding thermal plasma CVD (ETP-CVD), waarmee het proces tot honderden malen versneld kan worden. Verbetering van het productieproces is op dit moment een van de belangrijke ontwikkelingen.
Silicium gebaseerde materialen hebben ook in de dunnelaag technologie nog het grootste aandeel. Nieuwe materialen als koper indium gallium diselinide ((CuInGaSe2=CIGS), koper indium diselinide (CIS), cadmium telluride (CdTe) worden evenwel momenteel ook toegepast al is hun marktaandeel nog slechts 1%.
Zonnecellen met GalliumArsenide (GaAs) en Gallium-indiumfosfide (GaInP) geven een hoog rendement. Gallium Arsenide zonnecellen met een opbrengst van maar liefst 26% zijn gebruikt in de Nuna III, Nederlands visitekaartje op het gebied van zonneceltechnogie, ontwikkeld aan de TU Delft. Het door Nuon gesponsorde team van Wubbo Ockels won hiermee in 2005 voor de 3e opeenvolgende keer de World Solar Challenge race in Australië. Voor alledaagse toepassing zijn deze materialen echter erg kostbaar. Bovendien zijn de voorraden van stoffen als indium en seleen beperkt, zodat het weinig geschikte kandidaten zijn voor grootschalige toepassing.
- Figuur 19: Typische opbouw van dunnelaag zonnecellen van amorf silicium.
Niet alleen is de materiaalsamenstelling bij dunnelaagsystemen anders dan die bij de kristallijne cellen, ook hebben ze een andere interne laagopbouw. Bij amorf silicium wordt ook een derde laag aangebracht: de zogenaamde intrinsieke (i-) laag. Deze bevindt zich in het elektrische veld tussen de p- en de n-laag. Het zonlicht maakt in de i-laag elektronen los, en omdat die zich in een elektrisch veld bevindt, worden gaten en elektronen onmiddellijk uit elkaar getrokken. Dit is nodig omdat in amorf silicium de elektronen sneller de neiging hebben terug te vallen in het gat dan bij kristallijn silicium.
Hoewel ladingsscheiding en -transport in amorf silicium moeizamer verloopt dan in kristallijn silicium, heeft amorf silicium ook een belangrijk voordeel. Door de ‘rommelige’ structuur is er niet sprake van één vaste energiesprong tussen de gebonden en vrije elektronen maar bestaat er een groot scala aan energiesprongen. Met ander woorden: een veel groter deel van het licht kan benut worden om elektronen en gaten te produceren. In dunne laag cellen wordt tot 90% van het opvallende licht geabsorbeerd.
Door de moeizame ladingsscheiding daarna is het rendement momenteel nog beperkt tot zo’n 10%. Commercieel beschikbare dunnelaag systemen hebben momenteel rendementen tussen de 5 en 9%. Overigens zijn de opbrengsten direct na de productie hoger, maar het materiaal is niet stabiel, waardoor na enige tijd deze rendementen overblijven.
- Figuur 20: Voorbeeld van een mogelijke 3-laags (triple junction) cel. In de bovenste laag (1,8 eV) worden de hoog energetische fotonen opgenomen waarbij weinig warmteverlies optreedt. Het ‘rodere’ licht (minder energierijk) wordt in de onderliggende lagen benut.
Men verwacht dat met verbeterde technieken een rendement van 15% binnen enkele jaren haalbaar moet zijn. Gebruik van nano-kristallijn silicium kan de stabiliteit van de cellen verbeteren. Een andere belangrijke ontwikkeling is die van de meerlaagstechnieken. Door meerdere lagen over elkaar heen aan te brengen, kan het overgebleven licht, dat te weinig energie had om de elektronen te bevrijden, door onderliggende cellen worden gebruikt. Bij twee lagen spreken we van tandemcellen, bij drie lagen van triple junction cellen.
