De behoefte aan elektriciteit lijkt onverzadigbaar.
Van lampen tot computers, bijna alles verbruikt elektriciteit. Elektriciteit wordt verkregen door verbranding van steenkool, olie, aardgas of via kernenergie. Deze vormen van grootschalige energieopwekking produceren veel warmte en afvalstoffen. Daarbij raken de fossiele brandstoffen (steenkool, olie en aardgas), maar ook de grondstof voor kerncentrales ooit uitgeput. Het is daarom van groot belang om duurzame energiebronnen te vinden.
Dagelijks ontvangen we vele duizenden malen meer energie van de zon dan wij met z’n allen gebruiken. Met zonnecellen zijn we in staat een deel van die energie om te zetten in elektrische stroom, zodat we minder olie en gas nodig zullen hebben. Conventionele zonnecellen van kristallijn silicium zijn echter nog te duur. Helaas is elektriciteit verkregen via zonnecellen op dit moment ongeveer 5-8 maal zo duur als elektriciteit uit het stopcontact. Een goedkoop alternatief voor de huidige generatie zonnecellen is het roodbruine amorf silicium dat in hele dunne laagjes op folie kan worden aangebracht. De dunne film zonnecellen kunnen op de rol worden geproduceerd zonder veel materiaal of energie te gebruiken.
Dunne film silicium is bij uitstek geschikt om toe te passen in tandem zonnecellen. Dit zijn cellen waarin twee subcellen met verschillende spectrale gevoeligheid op elkaar gestapeld zijn. Deze techniek leidt tot een hoger rendement. Er zijn twee soorten silicium met verschillende atomaire netwerkordening, amorf en microkristallijn silicium, die samen een perfecte match vormen voor ons aardse zonnespectrum. Amorf silicium heeft een halfgeleiderbandafstand van 1,8 eV en microkristallijn silicium een bandafstand van 1,1 eV.
De eerste berichten over microkristallijn silicium van voldoende kwaliteit zijn pas verschenen in 1994. Sindsdien is er in de onderzoekswereld groeiende aandacht voor dunne film zonnecellen die dit materiaal bevatten, zo ook aan de Universiteit Utrecht.
Hierbij wordt het onderzoek vooral gericht op technieken die leiden tot verdere kostprijsverlaging van de uiteindelijke zonnecellen.
Er zijn vier grote uitdagingen in het onderzoek:
1. verbetering van de stabiliteit van zonnecellen, zowel door ontwerp van de celstructuur als door verbetering van de ordening in het halfgeleidermateriaal,
2. verhoging van de depositiesnelheid (de aanbrengsnelheid); dit levert een kostenreductie op t.g.v. lagere investeringen in manchines,
3. het verkrijgen van steeds dunnere lagen die tóch goed n-type en p-type gedoteerd zijn; dit verhoogt de absorptie in de elektrisch actieve laag, de ongedoteerde laag,
4. ontwikkeling van methoden om (zon)licht beter te absorberen, zoals ‘light trapping’ (het verlengen van het optische pad) en het stapelen van verschillende typen zonnecellen (‘tandem’ zonnecellen).
De ‘Hot Wire Chemical Vapor Deposition (HWCVD)’ techniek, waarin reactieve siliciumhoudende gassen op eenvoudige wijze worden ontleed aan een heet filament, levert zowel hogere depositiesnelheid als betere stabiliteit. Deze techniek wordt in ons laboratorium uitvoerig onderzocht en geoptimaliseerd. Conventioneel wordt in de industrie echter nog overwegend gewerkt met de ‘Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)’ techniek. Hierin worden de brongassen ontleed door middel van een hoogfrequent veld, waardoor een plasma ontstaat. De PECVD techniek wordt ook gebruikt bij de ontwikkeling van een continu zg. roll to roll productieproces dat bij Akzo Nobel wordt geïnstalleerd. In dit project werken verder ook Shell Solar, TUD, TUE en TNO mee. Het patenteerde productieproces laat toe dat goedkope dragermaterialen kunnen worden gebruikt, terwijl er toch geen beperkende voorwaarden worden gesteld aan de condities van het PECVD proces.
Het onderzoek naar gestapelde zonnecellen heeft geleid tot experimentele cellen op roestvrij staal, waarin drie verschillende cellen, met verschillende spectrale gevoeligheid, op elkaar zijn geplaatst. Bijgaand is een figuur van dit type cellen, zoals in het laboratorium gemaakt. Met deze cellen is een rendement van 9 % bereikt. Het doel is het rendement te verbeteren tot 14 % door toepassing van diverse optische lichtinvangsttechnieken.
Links naar verwante artikelen:
Een ander interessant artikel over zonnecellen is Zonnecellen: de toekomst?
Enkele foto's zijn hier te vinden.
Bron:
Ruud E.I. Schropp
Universiteit Utrecht, Debye Instituut, SID – Physics of Devices,
Postbus 80.000, 3508 TA Utrecht
