Energie uit de zon is er in overvloed. In Nederland is de energie-inhoud van het licht dat per jaar op 1 m² grond valt zo’n 1.000 kWh. Als je dat allemaal nuttig zou kunnen gebruiken heeft een huishouden aan 3 m² fotovoltaische (PV) panelen genoeg om in zijn elektriciteitsbehoefte te voorzien. Maar helaas zijn er nogal wat factoren die roet in het eten gooien.

Om te beginnen zet het werkpaard van de zonnecellenindustrie, de cel van kristallijn silicium, in commerciële panelen maximaal een vijfde van de energie van het zonlicht om in elektriciteit. Dat komt vooral doordat niet alle golflengtes van het licht even efficiënt zijn om te zetten in de cel. Bovendien gaat er nog wat energie verloren door kleine kortsluitinkjes, als elektronen en gaten elkaar binnen de cel tegenkomen. De hoogst haalbare opbrengst van een siliciumcel (en van andere enkelvoudige zonnecellen) is daarom in theorie slechts rond de 30 procent. In de praktijk is echter niet meer dan 25 procent behaald, en dat alleen voor kleine, zeer dure cellen. Het wereldrecord voor een compleet paneel van multikristallijn silicium – eind april gevestigd door de ECN – bedraagt slechts 16,4 procent.

Naast de beperkte efficiëntie vormen de productie- en installatiekosten nog een obstakel. Op dit moment kost een ‘sleutelklaar’ zonnestroomsysteem minimaal 4 euro per Watt geïnstalleerd vermogen. “Die prijs moet minstens een factor 4 dalen”, zegt Wim Sinke, zonnecelspecialist van Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) en hoogleraar aan de Universiteit Utrecht. “In feite gaat het om de prijs/prestatieverhouding. Zonnecellen en -panelen moeten dus efficiënter worden én goedkoper om te maken. Daar ligt ook het belang van ons wereldrecord”, meent een van Nederlands meest overtuigde pleitbezorgers van zonne-energie.

Plakbandje

Een voor de hand liggende manier om een silicium zonnepaneel goedkoper te maken, is door minder van het relatief dure, zuivere silicium te gebruiken. De plakjes die gezaagd worden uit een blok kristallijn silicium zijn nu nog zo’n 200 μm dik. Het Belgische onderzoeksinstituut IMEC ontwikkelt technieken waarmee die laagjes tot 40 μm dikte of minder zijn te reduceren.

“Je kunt bijvoorbeeld het siliciumkristal vlak onder het oppervlak poreus maken waardoor het daar afbreekt”, zegt Robert Mertens, senior fellow bij IMEC en hoogleraar aan de K.U.Leuven. “Maar je kunt ook een ‘plakbandje’ van een laagje aluminium of zilver aanleggen. Wanneer je dit laagje van het siliciumkristal aftrekt, neemt het een dun laagje silicium mee dat je vervolgens op een drager kan zetten. En met een derde techniek – depositie van silicium uit de gasfase – kunnen we zelfs laagjes van maar 5 micron maken. De rendementen van de cellen blijven bij deze methoden behouden, terwijl ze de kosten aanzienlijk kunnen drukken.”

De zogenoemde dunnefilmsiliciumcellen kunnen bovendien op een buigzame drager worden gezet. Daar maakt het Nederlandse bedrijf Nuon Helianthos al gebruik van. Het pakt de cellen in folie en maakt er lichte, flexibele stroken van. Doordat ze in een continu proces aan de rol worden gemaakt, blijven ook de productiekosten laag.

Van andere materialen, zoals cadmiumtelluride, zijn nog goedkopere dunne-filmzonnepanelen te maken. Cadmiumtelluride absorbeert zonlicht goed, net als kristallijn silicium. En ook het paneelrendement is met circa 11 procent redelijk in vergelijking met dat van kristallijn silicium. Maar cadmium is wel extreem giftig, wat een terugname- en recyclingsysteem noodzakelijk maakt.

Spiegel

Een dure zonnecel moet een hoog rendement halen om een zinvolle toepassing te vinden. De prijzige galliumarsenidecellen met een theoretisch rendement van 60 procent kunnen dat en worden daarom al geruime tijd met succes gebruikt in de ruimtevaart en bij prijswinnende zonnewagens als de Nuna van de TU Delft. Begin dit jaar maakte het Duitse Fraunhofer-instituut bekend met dit materiaal een PV te hebben gemaakt die 41,1 procent rendement haalt.

Deze Duitse zonnecel is een zogeheten multi-junction cell die bestaat uit drie lagen: gallium-indium-fosfide, gallium-indium-arsenide en germanium. Elke laag absorbeert een eigen deel van het lichtspectrum, zodat ze samen een veel groter deel van het zonlicht benutten dan de huidige commerciële zonnecellen; tussen de 400 en 1.700 nm absorbeert de cel vrijwel alle licht.

De moeilijkheid bij die cellen ligt er echter in dat de afstanden tussen de atomen in het kristalrooster niet gelijk zijn, terwijl de verschillende lagen om goed te geleiden juist netjes op elkaar moeten aansluiten. Om dat probleem te omzeilen, hebben de Duitse onderzoekers een methode ontwikkeld die eventuele defecten naar de zijkant van het kristal dirigeert, zodat ze geen negatieve invloed hebben op de stroomsterkte.

Ook IMEC onderzoekt meerlaagse cellen. “In tegenstelling tot veel anderen maken wij een mechanische stapeling in plaats van een monoliet. Bij een monoliet staan de lagen in serie dus bepaalt de laagste stroomsterkte het totaal. In onze cellen zijn ze parallel geschakeld en is het een optelsom”, legt Mertens uit. “Een nadeel is wel dat zowel de top als de onderkant elektrische contacten heeft waar verliezen kunnen optreden. Maar wij denken dat dit de beste oplossing is.”

Deze stapelingen met hoge rendementen zijn niet meer te vergelijken met de conventionele silicium zonnepanelen. De dure cellen zijn alleen maar toepasbaar op plaatsen waar veel direct zonlicht is, zoals woestijngebieden. De Duitse onderzoekers losten dit probleem bij hun cel op door het licht met spiegels en lenzen te concentreren tot ruim 450 keer de normale sterkte. Maar dat stelt wel eisen aan de toepassingen. “Door hun specifieke eigenschappen zijn deze systemen vooral geschikt voor grootschalige toepassingen van enkele tientallen megawatts”, meent Mertens. “Maar de betrouwbaarheid op lange termijn is nog onbekend.”

Organisch

Naast als groot paneel op het dak van een huis, hebben zonnepanelen ook steeds meer hun weg gevonden naar elektronische gadgets, bijvoorbeeld als zonnecellen op jassen of tassen en op mobieltjes, laptops en andere elektronica. “Zo ongeveer elk consumentenproduct op zonnecellen wat je kunt bedenken is al gemaakt en op de markt gebracht”, zegt Sinke. “En er meestal ook weer afgehaald omdat het niet voldeed aan de verwachtingen.” Zonnecellen van organische moleculen, die vaak flexibel zijn en ook nog eens goedkoop te produceren, zouden daar verandering in moeten brengen. Sinke verwacht dan ook dat de organische zonnecel een snelle intrede op de nichemarkten zal maken. Maar dat heeft nog wel tijd nodig, waarschuwt hij. “Voorlopig zijn ze het lab nog niet ontstegen.”

Een variant van de organische zonnecel is de plastic cel. Die gebruikt geen anorganische halfgeleider als silicium, maar een organische halfgeleider, bijvoorbeeld polythiofeen, in combinatie met een verbinding die opvalt door de buckyball (C₆₀).

Het polymeer is dan de elektrondonor en de andere verbinding de elektronacceptor. Een belangrijk probleem met polymere (en andere organische) zonnecellen is echter het relatief lage rendement. De maximale opbrengst van kleine polymere cellen is nu zo’n 6 procent in het laboratorium, vooral omdat ze maar een klein deel van het spectrum van het zonlicht benutten. Een praktisch probleem vormt verder de stabiliteit en vochtgevoeligheid van de gebruikte materialen. Voor toepassingen moeten de materialen daarom goed ingepakt worden en dat is duur. Mertens: “Wij zoeken in samenwerking met universiteiten naar nieuwe, stabiele organische verbindingen. De moeilijkheid daarbij is dat organische verbindingen vaak een te grote band gap hebben.” Bij een te grote band gap is de energie van een foton niet voldoende om elektronen los te maken, waardoor er geen stroom kan lopen.

Een andere organische zonnecel is de kleurstofgesensibiliseerde cel, ook wel Grätzelcel genoemd naar de uitvinder van de best werkende variant. De in het lab hoogst gehaalde efficiëntie van die cellen is 11 procent. De Grätzelcel bestaat uit een poreuze laag titaniumdioxide (TiO₂), een materiaal dat ook veel in zonnebrandcrème zit omdat het uv-licht absorbeert. In de cel is TiO₂ bedekt met een laagje van een kleurstof die op chlorofyl lijkt, de verbinding die in planten zorgt voor de omzetting van kooldioxide met licht in zuurstof en suikers. Wetenschappers zoeken naar kleurstoffen die een zo groot mogelijk deel van het spectrum van zonlicht absorberen. Het nadeel van de best werkende kleurstofcellen is echter dat er een vloeibaar elektrolyt nodig is, vandaar dat men nu zoekt naar vaste geleiders.

Integratie

Hoewel de ontwikkelingen snel gaan, duurt het nog wel enige decennia voordat de zon in all onze energiebehoeften zal voorzien. Daarvoor moet de kostprijs eerst omlaag en moet de technologie verder worden uitontwikkeld. “Een reëel scenario is dat in 2020 4 tot 6 procent van de elektriciteitsconsumptie binnen de EU uit zonne-energie wordt gehaald”, meent Sinke. “Maar zonne-energie ís al rendabel. Niet in de verre toekomst, maar nu. Panelen met een efficiëntie van 20 procent zijn al op de markt. In Italië is grid parity zelfs al bereikt.” Oftewel: de zonnecellen produceren energie tegen eenzelfde kostprijs als waarvoor een consument zijn stroom bij de centrale moet inkopen. Sinke: “De rest van Zuid-Europa volgt binnen een paar jaar en Nederland voor 2020.”

Bron: C2W10, 16 mei 2009