Nieuwe concepten

Voor een rendement van meer dan 30% is een zogenaamde multi-junctie zonnecel nodig. Dit is in feite een stapeling van meerdere zonnecellen, elk gevoelig voor een ander deel van het zonnespectrum. Per oppervlak kan zo een groter deel van het invallende zonlicht worden omgezet in elektrische energie. Door onderzoekers in de Verenigde Staten zijn met dit concept reeds wafer gebaseerde InGaP/GaAs/Ge triple-junctie cellen met een rendement van 32% gemaakt. Door het gebruik van germanium (Ge) als derde cel kan deze triple-cel niet van zijn kristalwafer worden gescheiden met het ELO proces. Daarom worden in Nijmegen alternatieve multi-junctie cellen ontwikkeld zoals een drievoudige cel waarbij de derde Ge laag wordt vervangen door het materiaal InGaAs. Dit materiaal past niet helemaal bij de structuur van de kristalwafer waarop de cel in eerste instantie wordt geproduceerd. Hierdoor ontstaan er mechanische spanningen in de InGaAs laag van de cel, die echter voor een deel weer worden opgeheven na het verwijderen van de wafer. Daarnaast wordt een viervoudige cel ontwikkeld. Deze cel zal bestaan uit twee afzonderlijke tandemcellen elk geproduceerd op de meest geschikte kristalwafer. Na verwijdering van de wafers worden de cellen op elkaar geplakt. Op deze wijze is er voor ieder deel van het zonnespectrum een geschikte subcel om het licht in elektriciteit om te zetten. Berekeningen tonen aan dat hiermee onder standaard condities een rendement van 46% haalbaar is. Behalve optimale sub-cellen vereist deze dubbele tandem hiertoe ook optimale anti-reflectie coatings (ARC) en tunneljuncties (TJ). Experimenteel onderzoek moet uitwijzen in hoeverre dit ook in praktijk haalbaar is.

Een zeer interessante methode om de kosten voor het opwekken van elektriciteit met zonnecellen sterk te reduceren is de toepassing van een concentrator systeem. Hierin wordt over een groot oppervlak licht ingevangen, dat met behulp van lenzen en spiegels wordt gefocusseerd op een kleine zonnecel. Op deze wijze wordt kostbaar halfgeleidermateriaal vervangen door goedkope componenten van glas en kunststof. De stroomopbrengst van de zonnecel neemt evenredig toe met de concentratie factor van het systeem. Daarnaast gaat ook de spanning van de cel iets omhoog waardoor het geleverde vermogen (gelijk aan stroom maal spanning) van een zonnecel meer dan evenredig toeneemt met de concentratiefactor. Dit betekent dat ook het rendement van de cel toeneemt met de concentratiefactor. Dit effect is het grootst bij multi-junctie cellen. Zo wordt onder standaard condities met een triple-junctie cel een rendement van maximaal 32% behaald terwijl hiermee onder hoge concentratie inmiddels de grens van 40% is gepasseerd. Met een viervoudige zonnecel zoals hierboven beschreven zou bij een concentratiefactor van 500 maal of hoger zelfs een rendement van meer dan 55% mogelijk zijn. Omdat dergelijke hoge concentratiefactoren resulteren in zeer hoge elektrische stromen en een hoge warmte belasting, stelt dit bijzondere eisen aan het ontwerp van de zonnecellen.

In tegenstelling tot een concentrator systeem op basis van lenzen en spiegels vangt een luminescerende vlakke plaat concentrator zonlicht vanuit alle richtingen in. In de plaat wordt het licht geabsorbeerd in optisch actieve deeltjes en vervolgens isotroop weer uitgestraald. Op deze wijze wordt het licht via interne reflectie naar zonnecellen aan de randen van de plaat geleid. Het spectrum aan de rand van de plaat is sterk afhankelijk van het type optisch actieve deeltjes dat wordt toegepast. In samenwerking met ECN verricht de Radboud Universiteit onderzoek om de eigenschappen van de plaat en de zonnecellen zo goed mogelijk op elkaar af te stemmen. Door absorptieverliezen in de plaat zijn de behaalde concentratie factoren echter nog erg laag (typisch een factor twee).

III-V materialen bezitten een hoge graad van perfectie en hun eigenschappen kunnen in belangrijke mate kunnen worden aangepast aan de wens van de gebruiker. Dit maakt deze materialen tot een ideaal modelsysteem om de fundamentele limieten aan de prestatie van zonnecellen experimenteel te onderzoeken. Zo staat vanuit het oogpunt van device efficiëntie het streven naar een maximale functionaliteit bij een minimaal materiaalgebruik centraal. Voor de optimale zonnecel van de toekomst impliceert dit het genereren van veel energie in een dunne materiaallaag. Het afvoeren van deze energie leidt tot grote stroomdichtheden en verzadigingseffecten in de dunne-films. Met dunne-film III-V zonnecellen kunnen deze effecten in praktijk worden onderzocht omdat dit als enige systeem nu reeds een dunne-film zonnecel combineert met een rendement boven dat van de huidige generatie wafer gebaseerde kristallijnen Si cellen. Verder worden er in de wetenschappelijke literatuur een aantal veelbelovende nieuwe concepten beschreven zoals de toepassing van photonic crystals en intermediate band gaps waarmee in theorie zonnecellen een rendement van 63% kunnen bereiken. Om na te gaan of deze concepten in praktijk ook echt werken zijn III-V materialen bij uitstek geschikt.