Hoe waterstoffluoride en een argonplasma het rendement van Shell Solars zonnecellen naar de wereldtop tillen.

Zeventien miljoen euro heeft hij gekost, de tweede productielijn voor multikristallijne zonnecellen die Shell Solar begin deze maand in gebruik heeft genomen in Gelsen­kirchen. Per jaar produceert hij vijftien megawatt aan energieopwekkingcapaciteit, overeenkomend met meer dan zes miljoen zonnecellen van maximaal vijftien centimeter in het vierkant. En het mooiste is dat die zonnecellen een omzettingsrendement van 15 procent halen, terwijl de eerste productielijn niet verder kwam dan 13 procent. Een efficiencywinst die in de zonnecelwereld maar zelden in één keer wordt geboekt.

Etsproces

De winst zit vooral in twee stappen van het productieproces, legt projectleider Rob Steeman uit. De zonnecellen ontstaan uit dunne plakjes silicium, die van een ‘brood’ of staaf worden gezaagd. Het zaagproces (dat Shell overigens niet zelf doet) beschadigt het oppervlak. Vandaar dat de toplaag chemisch moet worden weggeëtst. En daarin zit de eerste belangrijke innovatie. “Standaard gebruik je NaOH als etsmiddel”, vertelt Steeman. “Maar het silicium bestaat uit massa’s kristallen, die kriskras door elkaar liggen. Aan het oppervlak liggen telkens andere zijden van de kristallen bloot, en NaOH tast elke zijde op een andere manier aan. Je kunt dat heel goed zien als je zo’n zonnecel in het licht houdt en almaar andere vlakjes ziet schitteren.”

Vandaar dat Shell nu de overstap heeft gewaagd naar een mengsel van sterke zuren, waaronder HF en HNO_3.

“Salpeterzuur oxideert het silicium, waarna HF de oxidelaag weer weggeëtst. Het is een zeer exotherm proces. Je hebt een hoog koelend vermogen nodig om de temperatuur constant te kunnen houden. Dat kun je machinetechnisch echter wel oplossen, al heeft het een hoop moeite gekost.”

Het voordeel van het zure etsproces is dat het op alle kristaloriëntaties dezelfde uitwerking heeft. Bovendien vreet het de oppervlaktedefecten als eerste aan. Er ontstaat een structuur die er egaal uitziet, maar op microschaal een beetje ruw is. En dat is weer goed voor het rendement. Silicium absorbeert altijd maar een deel van het invallende licht, en kaatst de rest terug. Is het oppervlak glad, dan is de weerkaatste bundel ook meteen weg. Maar zitten er kuiltjes in, dan bestaat de kans dat het licht daarin nog een paar keer heen en weer kaatst, waarbij telkens wat meer wordt geabsorbeerd.

Crystalactor.

Een nadeel van HF is wel dat het HF is. “Om te beginnen hebben we extra maatregelen moeten nemen voor de veiligheid, zoals HF-sensoren en speciale aansluitingen die voorkomen dat zuurvaten aan de verkeerde leiding worden gekoppeld”, vertelt Steeman. “Maar je zit ook met het feit dat zuurresten terechtkomen in het spoelwater. Dat kun je niet op het riool lozen. Als oplossing hebben we een Crystalactor geïnstalleerd, een apparaat dat is ontwikkeld door ingenieursbureau DHV. Hij bevat een soort wervelbed van zand waarin via een lans calciumchloride wordt gespoten. Dat levert een neerslag op van CaF₂, dat voornamelijk kristalliseert rond de zandkorrels. CaF₂, oftewel veldspaat, is een natuurlijk mineraal dat volstrekt ongevaarlijk is. Je kunt het bij wijze van spreken verwerken als bouwpuin. Zelf vind ik dat een van de aardigste dingen, dat we ons best hebben gedaan om ‘groen’ te produceren.”

Siliciumnitride

De volgende grote innovatie komt een paar stappen later, bij het aanbrengen van de antireflectiecoating. “Dat was altijd titaandioxide, dat werd opgedampt via Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition’ (APCVD). Wij gebruiken siliciumnitride, Si₃N₄, en ‘Plasma Enhanced CVD’. In een vacuümsysteem creëer je een argonplasma, waarin je ammoniak ioniseert. Dat mengsel blaas je door een ring, terwijl je er silaan bij brengt. Er ontstaan silaan-ammoniakradicalen die doorreageren tot Si₃N₄ en daarna neerslaan op het oppervlak. Bijko­mend voordeel is dat hierbij ook atomaire waterstof wordt ingebouwd. Verderop in het proces zit een stap, waarbij het metaal van de contactstrips wordt gesinterd bij 900 °C. Op dat moment diffundeert de waterstof de siliciumplak in, en bindt zich daar aan defecten in het kristalrooster. Die plekken kunnen dan later geen ladingsdragers meer invangen. Ook dat levert weer rendementswinst op.”

Volgens Steeman wordt het Si₃N₄-proces elders in de industrie ook al toegepast. Shell Solar is echter het eerste bedrijf dat zuur etst op industriële schaal. Alles bij elkaar levert het, zoals gezegd, zonnecellen op met een zeldzaam hoog rendement. “Dan hoor je bij de top, zeg maar.”