Door zonnecellen te voorzien van een nieuwe toplaag gebaseerd op nanokristallen van silicium carbide kunnen deze een rendement van 26 procent bereiken. Dat blijkt uit simulaties van onderzoekers van de TU Delft.
De nieuwe transparante toplaag voor zonnecellen is ontwikkeld door een internationale pv-werkgroep waar ook de TU Delft onderdeel van uitmaakt.
Praktisch haalbare limiet
In het kader van het onderzoek heeft TU Delft simulaties uitgevoerd waaruit blijkt dat de toplaag het rendement van in massaproductie vervaardigde en betaalbare zonnecellen kan verhogen tot op 1 procentpunt van de praktisch haalbare limiet.
De TU Delft-onderzoekers hebben namelijk aangetoond dat de nieuwe toplaag in principe het rendement van de zonnecel kan verhogen van 24 naar 26 procent. Dit is dicht bij de praktische limiet van 27 procent waarboven, naar verwachting, de productiekosten van siliciumzonnecellen zo hoog oplopen dat ze geen commercieel nut meer hebben.
3 essentiële eigenschappen
De grootste toename in het rendement van zonnecellen is het afgelopen decennium voortgekomen uit incrementele verbeteringen in 3 essentiële eigenschappen van de toplaag. Deze toplaag dient transparant te zijn zodat (vrijwel) al het invallende zonlicht de halfgeleiderlaag bereikt die zonne-energie in elektriciteit omzet. Hij moet bovendien goed geleidend zijn zodat het de vrijgemaakte ladingdragers (elektronen of gaten) op efficiënte wijze naar de elektrische contactpunten van de zonnecel transporteert. Daarnaast moet deze laag over een cruciale eigenschap beschikken die passivering heet, waarmee voorkomen wordt dat ladingdragers aan het oppervlak recombineren en zo niet meer bijdragen aan de met zonne-energie opgewekte elektrische stroom.
Nanokristallen
De hoofdonderzoekers van Forschungszentrum Jülich hebben met een bewezen en eenvoudig op te schalen productieproces de nieuwe toplaag gecreëerd met een volgens hen superieure combinatie van deze 3 eigenschappen. ‘Met het eerste prototype van hun zonnecel bereikten ze al een rendement van bijna 24 procent, net zo hoog als de beste zonnecellen die in andere laboratoria gemaakt worden,’ duidt Rudi Santbergen, universitair docent in de Photovoltaic Materials and Devices-groep aan de TU Delft en een van de co-auteurs van het onderzoek dat is gepubliceerd in Nature Energy. ‘Ze vroegen ons om hun resultaten te valideren met behulp van simulaties.’
Toonaangevend in modelleren
De Photovoltaic Materials and Devices-groep van de TU Delft is wereldwijd toonaangevend in het ontwerpen, optimaliseren en de productietechnologie van zonnecellen. Ze hebben unieke expertise op het gebied van modelleren – van fotovoltaïsche materialen op atomaire schaal, tot het rendement van de gehele zonnecel, tot het modelleren van de jaaropbrengst aan elektriciteit van een heel systeem aan zonnepanelen in de gebouwde omgeving. Het is een van de weinige onderzoeksgroepen die geavanceerde optische en elektrische simulaties kan combineren, wat nodig was om de resultaten van de Jülich-zonnecel te valideren.
De optische simulaties, uitgevoerd door Santbergen, laten voor elke invallende golflengte zien waar in de zonnecel welk deel van het zonlicht zal worden geabsorbeerd – of de fotonen de halfgeleiderlaag zullen bereiken of niet. Het elektrische model van zijn collega Paul Procel Moya simuleert het transport van de vrijgemaakte elektronen en gaten door de zonnecel en bepaalt of deze al dan niet de elektrische contactpunten bereiken. ‘Onze simulaties geven precies aan waar in de zonnecel welke verliezen optreden,’ zegt Santbergen. ‘Onze collega’s in Jülich hebben al ideeën hoe ze hun productieproces kunnen bijstellen om zo deze grote stap voorwaarts te
Door Marco de Jonge Baas
Reactie plaatsen
Reacties