Door Emily Kerr, Harvard University

beeld: Abagail Burrus, Harvard University

Elke seconde stuurt de zon een hoeveelheid energie naar de aarde die vergelijkbaar is met twee uur van de wereldwijde energievraag. Zonne-energie is in overvloed verkrijgbaar en bovendien hernieuwbaar. Dit maakt zonne-energie een aantrekkelijke energiebron. Vroeger was het oogsten van zonne-energie nog duur en relatief inefficiënt. In 2018 was minder dan twee procent van de energie in de wereld afkomstig van de zon. Toch is de hoeveelheid energie die uit zonlicht wordt verkregen tussen 2000 en 2019 meer dan 300 keer zo groot geworden.

Kosten verlagen, rendement verhogen

Technische ontwikkelingen in de afgelopen twintig jaar stimuleerden het gebruik van zonne-energie. Want dankzij deze ontwikkelingen daalden de kosten. Nieuwe technologische ontwikkelingen beloven de toepassing van zonne-energie nog verder te verhogen. Enerzijds door de kosten nog verder te verlagen en anderzijds door het rendement van zonnepanelen te verhogen.

Harde kosten & zachte kosten

De afgelopen 20 jaar zijn de kosten van zonnecellen – de materiaalstructuren die in staat zijn om lichtenergie om te zetten in elektriciteit – gestaag gedaald. Het National Renewable Energy Laboratory, een Amerikaans overheidslaboratorium dat technologie voor zonne-energie bestudeert, schat in dat de harde kosten (de materiaalkosten van de zonnecellen) en de zachte kosten (waaronder arbeidskosten) ongeveer gelijk zijn (figuur 1).

Figuur 1: Zonnecellen worden goedkoper als de kosten van de arbeid en materialen die nodig zijn om ze te bouwen omlaag gaan, of als ze beter worden in het omzetten van binnenkomend licht in elektriciteit.

Efficiënte zonnecellen

De zachte kosten zijn gedaald omdat er meer potentiële klanten en meer installatiedeskundigen voor nieuwe zonnepanelen zijn. Bedrijven kunnen zonnepanelen in bulk  produceren en eenvoudig installeren. De harde kosten zijn inmiddels zelfs gedaald tot minder dan de helft ten opzichte van het jaar 2000. Dit komt vooral door de dalende materiaalkosten en het toegenomen vermogen van de zonnecellen om licht te vangen. De ontwikkeling van meer kosteneffectieve en efficiënte zonnecellen vraagt om innovatieve ontwerpen en zorgvuldig nadenken over de fysica van de zonnecellen.

Licht opvangen

Omdat zonnecellen worden gebruikt om licht in elektriciteit om te zetten, moeten ze uit een materiaal bestaan dat goed in staat is energie uit licht op te vangen. Dit materiaal kan worden ingeklemd tussen twee metalen platen die de opgevangen elektriciteit van de lichtenergie naar de plaats brengen waar nodig is, zoals de verlichting van een huis of de machines van een fabriek (figuur 2).

Figuur 2: Wanneer licht een zonnecel raakt, zorgt het ervoor dat de elektronen in een geleidingsband springen, waardoor de lichtenergie kan worden geoogst. Hier bewegen gele elektronen (gelabeld als e) door de siliciumatomen (gelabeld Si) in de zonnecel wanneer ze geraakt worden door een foton.

Elektriciteit oogsten

Om het juiste materiaal te kiezen voor het opvangen van licht, moet het verschil tussen twee energieniveaus, de valentieband en de geleidingsband, worden gemeten. De hoogst-energetische band, de valentieband, is gevuld met veel negatief geladen deeltjes: de elektronen.  De laag-energetische band, de geleidingsband, is meestal leeg. Wanneer elektronen worden geraakt met lichtdeeltjes, fotonen genaamd, kunnen ze genoeg energie absorberen om van de geleidingsband in de energievalentieband te springen. Eenmaal in de valentieband kan de extra energie in het elektron als elektriciteit worden geoogst. Het is alsof de elektronen onderaan een heuvel (de geleidingsband) zitten en geraakt worden door een foton dat hen de energie geeft om naar boven te springen (de valentieband).

Inefficiënties

De hoeveelheid energie die nodig is om elektronen in de valentieband te laten springen hangt af van het soort materiaal. In wezen varieert de grootte van de metaforische heuvel afhankelijk van de eigenschappen van een bepaald materiaal. De grootte van deze energiekloof is van belang omdat het van invloed is op hoe efficiënt zonnecellen licht omzetten in elektriciteit. In het bijzonder, als fotonen de elektronen raken met minder energie dan het elektron nodig heeft om van de valentieband naar de geleidingsband te springen, wordt geen energie van het licht opgevangen. Als het licht meer energie heeft dan nodig is om dat gat te overbruggen, vangt het elektron precies de energie die het nodig heeft en verspilt het de rest. Beide scenario’s leiden tot inefficiënties bij het oogsten van zonne-energie, waardoor de keuze van het materiaal van de zonnecellen belangrijk is.

Silicium populairst

Historisch gezien is silicium het populairste materiaal voor zonnecellen (figuur 2). Dit komt onder andere door de grootte van de kloof tussen de geleiding van silicium en de valentiebanden. De energie van de meeste lichtdeeltjes ligt zeer dicht bij de energie ligt die de elektronen van silicium nodig hebben om de energiekloof te overbruggen. Theoretisch zou met een silicium zonnecel ongeveer 32% van de lichtenergie kunnen worden omgezet in elektrische energie. Dit lijkt misschien niet veel, maar het is beduidend efficiënter dan de meeste andere materialen. Bovendien is silicium ook nog eens goedkoop. Het is een van de meest overvloedige elementen op aarde, en de kosten voor het raffineren ervan zijn sinds 1980 drastisch gedaald. Zo heeft de halfgeleiderindustrie gezorgd voor een daling van de zuiveringskosten, met betere bulkzuiveringstechnieken. Die betere technieken waren noodzakelij om de vraag naar zonnecellen en consumentenelektronica te stimuleren.

Theoretische maximum silicium

Slimme technische trucs verlagen dus de materiaalkosten. Maar ze brengen ook het rendement van siliciumzonnecellen dichter bij hun theoretische maximum. Om fotonen in energie om te zetten, moeten ze eerst botsen met een elektron. Een truc om de kans op een botsing tussen fotonen en elektronen te vergroten is het patroon van het silicium in zonnecellen in microscopische piramidevormen. Wanneer licht in een piramide wordt geabsorbeerd, gaat het verder, waardoor de kans toeneemt dat het licht tegen de elektronen in het silicium botst voordat het aan de cel ontsnapt.

Zonnecel coatings en reflectoren

Een soortgelijke tactiek: chemici en materiaalwetenschappers ontwierpen antireflecterende coatings. Die voorzien de voorkant van zonnecellen van een extra laag die voorkomt dat nuttig licht terug de ruimte in reflecteert zonder ooit een elektron in de zonnecel te hebben geraakt. Door een reflector op de achterkant van de zonnecel te plaatsen, kan ook meer licht worden geoogst. Het licht dat op de zonnecel valt en de achterzijde van de cel bereikt zonder een elektron te raken wordt teruggekaatst naar de voorzijde van de cel, zodat de cel een tweede kans geeft om de energie te oogsten.

Kosten blijven dalen

De kosten van silicium zonnecellen blijven dalen. En ondanks voorspellingen van het tegendeel, dalen ook de kosten van silicium zelf. Silicium zonnecellen zullen de komende jaren waarschijnlijk populair blijven. Er zijn alternatieven voor siliciumzonnecellen ontwikkeld, maar die zijn nog niet ver genoeg om commercieel levensvatbaar te zijn.

De toekomst van zonnecellen

Om het huidige ontwerp van zonnecellen te overtreffen, zou een nieuw concept meer licht moeten kunnen opvangen, efficiënter lichtenergie in elektriciteit moeten kunnen omzetten en/of minder duur moeten zijn om te bouwen dan de huidige ontwerpen. Zonne-energie zal sneller worden omarmd als die even duur of goedkoper is dan andere, vaak niet-hernieuwbare, vormen van elektriciteit. Dus elke verbetering van het huidige ontwerp van zonnecellen moet leiden tot een verlaging van de totale kosten.

Elektronica toevoegen

De eerste optie, het toevoegen van fysieke oplossingen waarmee de zonnecellen meer licht kunnen opvangen, vereist niet per se dat we de huidige zonnecelontwerpen opgeven. Zo kan elektronica worden toegevoegd die de cel de zon laat volgen terwijl deze zich aan de hemel beweegt. Als de zonnecel altijd op de zon is gericht, zal hij door veel meer fotonen worden geraakt dan wanneer hij alleen rond het middaguur naar de zon is gericht. Op dit moment is het ontwerpen van elektronica die de positie van de zon gedurende enkele decennia nauwkeurig en consistent kan volgen – tegen een redelijke prijs – nog een uitdaging. Maar de innovatie op dit gebied gaat door. Een alternatief voor de zonnecel zelf te laten bewegen is het gebruik van spiegels om het licht te richten op een kleinere en dus goedkopere zonnecel.

Meerlagen zonnecel

Een andere manier om de prestaties van zonnecellen te verbeteren is het verbeteren van hun efficiëntie, zodat ze beter in staat zijn om energie in zonlicht om te zetten in elektriciteit. Zonnecellen met meer lagen lichtvangend materiaal kunnen meer fotonen vangen dan zonnecellen met slechts één enkele laag. Recentelijk kunnen in het laboratorium geteste zonnecellen met vier lagen 46% van de inkomende lichtenergie die ze raakt, vangen. Deze cellen zijn nog steeds meestal te duur en moeilijk te maken voor commercieel gebruik, maar lopend onderzoek kan op een dag de implementatie van deze superefficiënte cellen mogelijk maken.

Minder materiaal, minder kosten

Het alternatief voor het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen is het simpelweg verlagen van hun kosten. Hoewel de verwerking van silicium de laatste decennia goedkoper is geworden, draagt het nog steeds aanzienlijk bij aan de kosten. Door het gebruik van dunnere zonnecellen dalen de materiaalkosten. Deze ‘dunne-film zonnecellen’ gebruiken een laag materiaal om lichtenergie te verzamelen die slechts twee tot acht micrometer dik is, slechts ongeveer één procent van wat gebruikt wordt om een traditionele zonnecel te maken. Net als cellen met meerdere lagen zijn dunne-film zonnecellen nog lastig te produceren. Dat beperkt de toepassing, maar het onderzoek is nog niet afgerond (figuur 3).

Figuur 3. Dunne-film zonnecellen gebruiken een materiaallaag van slechts twee tot acht micrometer dik, slechts ongeveer één procent van een klassieke zonnecel. Helaas zijn ze nog lastig te produceren; het onderzoek gaat door.

Bulkproductie van zonnecellen

In de nabije toekomst zullen zonnepanelen met silicium zonnecellen waarschijnlijk steeds goedkoper worden en in grote volumes worden geïnstalleerd. In de Verenigde Staten neemt naar verwachting de hoeveelheid geproduceerde energie uit de zon tegen 2050 met minstens 700 procent toe. Ondertussen zal het onderzoek naar alternatieve ontwerpen voor efficiëntere en goedkopere zonnecellen worden voortgezet.  Over een aantal jaar zullen we waarschijnlijk alternatieven zien verschijnen voor silicium op onze energieparken en daken. Deze verbeteringen zijn en blijven mogelijk door de toenemende bulkproductie van zonnecellen en nieuwe technologie die de cellen goedkoper en efficiënter maakt.

Het artikel ‘’The future of solar is bright’ is eerder gepubliceerd door Harvard University. Deze vertaling is met toestemming overgenomen.