Icon up Overzicht

Zonnecellen: de toekomst?

Onderwerp: Elektrische stroom, Elektromagnetisch spectrum, Licht, Optica (licht en lenzen) (havo)

Iedereen kan het zich waarschijnlijk nog wel herinneren: op 22 oktober 2003 won de Nuna-II de World Solar Challange. Het team, bestaande uit studenten van de TU Delft en van de Erasmus Universiteit in Rotterdam legde een ruim 3000 km lange race af dwars door de Australische woestijn in een recordtijd. Zij maakten daarbij gebruik van de meest geavanceerde zonnecellen die momenteel te vinden zijn. Beeld je eens in wat het zou schelen aan CO!2 Uitstoot als iedere auto zou worden aangedreven met energie uit zonnecellen.

Figuur 1: De Nuna-II in de World Solar Challenge 2003

Naast het milieu zijn er ook andere voordelen aan te wijzen. Berekeningen tonen aan dat de huidige olievoorraad nog maximaal 50 jaar mee zal gaan. Als dit zo is, waarom zit dan niet iedere auto volgeplakt met dit soort zonnecellen?

De werking van een zonnecel

Figuur 2: Schematische werking zonnecel

Voordat we deze vraag beantwoorden is het nuttig om eerst uit te leggen hoe een zonnecel nu eigenlijk werkt. Het belangrijkste materiaal in een zonnecel is halfgeleider materiaal. Momenteel wordt met name silicium hiervoor gebruikt. Wanneer licht de zonnecel binnenvalt, zullen er binnen de halfgeleider elektronen losgestoten worden. Maar dan moeten de invallende fotonen wel voldoende energie bevatten (met andere woorden: mits de juiste kleur licht de zonnecel binnenvalt). Deze losgestoten elektronen kunnen vrij bewegen binnen de halfgeleider. Doordat er een elektrisch veld over het halfgeleider materiaal staat, zullen de vrije elektronen allemaal dezelfde richting op gaan bewegen. Er zal dus een stroompje gaan lopen. Deze stroom kan vervolgens gebruikt worden om bijvoorbeeld een calculator, discman of mobieltje van stroom te voorzien. Een andere mogelijkheid voor het gebruik van dit natuurkundige principe: zo hard mogelijk door de Australische woestijn racen (in het geval van de Nuna-II).

De productie

Wat is nu de reden dat de zonnecel relatief nog zo weinig gebruikt wordt in de praktijk? De zonnecellen, zoals de Nuna-II die heeft, zijn nog onbetaalbaar. Ook de huis-tuin-en-keuken zonnecellen leveren elektriciteit op die omgerekend 5 tot 8 maal zoveel kost als de elektriciteit die standaard uit het stopcontact komt. Dat zonnecellen zo duur zijn, komt met name doordat deze cellen gemaakt worden uit silicium. Silicium is op zich niet duur, maar het silicium in zonnecellen moet zeer zuiver zijn en een speciale structuur hebben. We hebben het hier over zogenaamd kristallijnsilicium. Bij dit silicium liggen de atomen niet willekeurig, maar netjes gerangschikt naast elkaar in een kristalstructuur. Het fabriceren van zulk kristallijnsilicium is een erg kostbaar proces. De sleutel tot succes van de zonnecel ligt dus in het goedkoper kunnen produceren van deze cellen.

Figuur 3: Grote panelen met zonnecellen zijn nog steeds kostbaar

Op dit gebied wordt ook in Nederland veel onderzoek verricht. Zoals door het Debye Instituut, dat onderdeel is van de Universiteit Utrecht. In het onderzoek dat hier plaats vindt op het gebied van zonnecellen zijn met name vier uitdagingen gedefinieerd:

  • Verlaging van productiekosten door nieuwere productiemethoden
  • Het maken van steeds dunnere lagen materiaal voor in zonnecellen
  • Het ontwikkelen van methoden om zonlicht beter te laten absorberen
  • Verbetering van de stabiliteit van zonnecellen

Dunne films

Een goedkoper alternatief voor het dure kristallijnsilicium (met een halfgeleiderbandafstand van 1,1 eV) is het roodbruine amorfe (= niet-kristallijne) silicium. Dit amorfe heeft een halfgeleiderbandafstand van 1,8 eV en kan in zeer dunne lagen op de rol geproduceerd worden. Deze dunne films zijn zeer geschikt om in nieuwe zogenaamde tandemzonnecellen gebruikt te worden. In deze tandemcellen worden twee verschillende lagen silicium over elkaar gebruikt, waarbij deze twee lagen gevoelig zijn voor twee verschillende kleuren licht.
Het maken van de zeer dunne lagen blijkt niet eenvoudig te zijn. Bij het Debye Instituut onderzoekt men momenteel een methode waarbij men siliciumhoudende gassen aan een heet oppervlak laat ontleden. Het silicium slaat dan neer op een dragermateriaal. Met deze 'Hot Wire Chemical Vapour Deposition'-methode blijkt het mogelijk te zijn om de lagen silicium veel sneller te maken dan met traditionele methoden mogelijk is.
Men doet ook onderzoek naar manieren om zonnecellen meer licht te laten absorberen. Dit kan bijvoorbeeld door verschillende zonnecellen te stapelen of door het licht op bepaalde wijze in te vangen. Zo komt het licht in aanraking met meer van het actieve halfgeleidermateriaal in de cel en krijgt de cel dus meer kans het licht op te nemen.

Toekomst

Al met al wordt er hard gewerkt om de prijs van zonnecellen omlaag te krijgen. Pas als deze prijs in de buurt komt van traditionele energiebronnen zal de consument overstappen voor bijvoorbeeld huishoudelijk gebruik. Wat dat betreft is er nog een hoop werk te doen, maar we gaan de goede kant op.

Meer weten?Enkele foto's zijn hier te vinden.

Bronnen:

Dit artikel is tot stand gekomen met medewerking van Ruud Schropp. Ruud bestudeert natuurkundige en chemische processen die een rol spelen in electronische systemen. Met name processen die zich afspelen aan het oppervlak van materialen (thin films). Het doel van zijn studie is betaalbare toepassingen mogelijk maken van bijvoorbeeld zonnecellen, die een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de maatschappij. In 2003 heeft Ruud Schropp een lezing over dit onderwerp gegeven op de Woudschotenconferentie voor natuurkundeleraren.

Prof. R.E.I. Schropp, Universiteit Utrecht, Debye Instituut, SID - Physics of Devices, Postbus 80.000, 3508 TA, Utrecht.

- www.esa.int
- www.howstuffworks.com