Waarom staalfolie en geen kunststof? Soppe: "Ten eerste is staal lekker sterk en vooral rekvast. Bovendien verdraagt het makkelijk de 200°C die we nodig hebben voor het opdampen van de actieve lagen. Kunststof dwingt tot het gebruik van wat lagere temperaturen, en dat is voor silicium minder gunstig."
Maar zou een heldere folie niet als voordeel kunnen hebben dat een enigszins zonwerende ruit bruikbaar wordt als zonnepaneel? "Als je pakweg de helft van het licht zomaar door je cel heen laat vallen, dan heb je twee keer het oppervlak nodig voor hetzelfde elektrische vermogen," zegt Soppe. "En dan wordt je zonnestroom dus twee keer zo duur. Terwijl alles juist draait om de laagst haalbare prijs! Voor de toepassing van foliecellen werken we samen met Corus; denk aan gevelplaten en dakelementen."
Amorf en microkristallijn
In monokristallijn silicium zijn de atomen elk verbonden met vier buren, in een enkel rooster. Dit materiaal wordt bij hoge temperatuur gekristalliseerd (1400 °C) en ook bij het zonnecelfabricageproces worden hoge temperaturen gebruikt (tot 900 °C). Voor dunne film zonnecellen willen we onder de 200 °C blijven en daardoor goedkoper werken. Het silicium wordt dan amorf of microkristallijn. Amorf silicium is op nanometerschaal net zo geordend als het monokristallijne materiaal, maar mist de regelmaat op lange afstand. Hierdoor ontstaan vrije, ‘bungelende’ bindingen, die de elektronische kwaliteit en daarmee het rendement van amorf silicium zonnecellen verminderen. Door waterstof toe te voegen kunnen de bungelende bindingen voor een groot deel worden geneutraliseerd.
Amorf silicium heeft echter ook een voordeel. In lagen van dezelfde dikte absorbeert het veel meer licht dan kristallijn materiaal – er worden circa 100 keer zoveel paren elektronen en elektrongaten geproduceerd. Het is de kunst om die negatieve en positieve ladingsdragers van elkaar te scheiden, en ze uit elkaar te houden tot ze de cel verlaten als elektrische stroom. De mate waarin dat lukt bepaalt het rendement van de cel.
Microkristallijn silicium is een veelbelovende nieuwe vorm die bestaat uit heel veel kleine kristalletjes, ingebed in amorf silicium. Ook dit materiaal kan bij lage temperatuur worden gemaakt, en het heeft in principe dezelfde elektronische kwaliteit als monokristallijn silicium. Maar in vergelijking met amorf silicium is de lichtabsorptie wat zwakker.
FLEXICOAT300
Om de positieve en negatieve ladingsdragers te scheiden moet een dunne film silicium zonnecel bestaan uit drie lagen: een p-laag, een n-laag en een i-laag. In de i-laag worden de fotonen ingevangen en omgezet in ladingdragers. Het elektrisch veld gevormd door de positief en negatief geladen p- en n-lagen zorgt voor de scheiding. In samenwerking met de Duitse firma Roth & Rau ontwikkelde ECN een machine voor het opdampen van de drie lagen met behulp van plasmabronnen, de FLEXICOAT300. Daarbij wordt een mengsel van silaan (SiH4) en waterstof omgezet in gehydrogeneerd amorf silicium of microkristallijn silicium.
Een blokschema (boven) van het nieuwe fabricageconcept, van staalfolie tot complete modules. Daaronder ECN's methode voor scheiding en serieschakeling van de zonnecellen. Een laser maakt de scheidingsgroeven (P1) exact diep genoeg, zonder de isolerende laklaag aan te tasten. Een tweede laser maakt de iets minder diepe verbindingsgroef P2 en isolatiegroef P3. Vervolgens wordt een isolerende pasta in P1 gedrukt en een metaalpasta in P2. Na drogen is dan serieschakeling van het ondercontact van iedere cel met het bovencontact van zijn buurcel gerealiseerd.
Nog dunner?
Een tweede manier om het rendement te verbeteren is een dunne zonnecel nog dunner maken, zodat ladingdragers sneller de elektrische contacten bereiken en dus minder kans krijgen om verloren te gaan. Maar een dunnere laag absorbeert ook minder licht, zeker als microkristallijn silicium wordt toegepast – tenzij de achterzijde van de cel het licht onder een heel vlakke hoek weerkaatst. Het ECN-proces maakt gebruik van de isolerende laklaag, die toch al nodig is om de staalfolie te scheiden van de cel zelf. In die laag wordt een patroon geperst met reflecterende eigenschappen op maat.
"Daarvoor werken we samen met de Universiteit van Ljubjana, in Slovenië," vertelt Soppe. In naam van ECN coördineert hij het Europese project Silicon-Light, een samenwerkingsverband van acht verschillende instituten en fabrikanten met als doel de ontwikkeling van betere dunne-filmtechnologie.
Binnen Silicon-Light wordt ook gewerkt aan een derde aanpak: twee dunne cellen op elkaar. Licht dat in de bovenste niet wordt geabsorbeerd, kan in de onderste alsnog in elektrische stroom veranderen.
Links: Het resultaat van graveren met een laser. De groef heeft exact de gewenste diepte, precies tot aan de transparante isolerende laklaag (SiO2). Een microscoop mat de dikte van die laag (2 µm) en bevestigde ook dat de niet-transparante laag erop volledig werd verwijderd. (Foto's en illustratie: ECN).
Graveren met licht
Een andere bijdrage van ECN is een nieuwe methode om de productie van modules sterk te vereenvoudigen: pas nadat de lagen allemaal zijn aangebracht worden ze in afzonderlijke cellen gesneden en in serie geschakeld. "Dat deel van het proces hebben we in ons laboratorium getest," vertelt Soppe. "Het wachten is nu op een industriële partner voor de ontwikkeling van een machine voor serieproductie."
Moeilijk te vinden? Soppe: "We hebben de afzonderlijke stappen gedemonstreerd, maar nog geen complete modules gemaakt. Dat moet deze zomer gebeuren." Verder is er concurrerende technologie, zoals cellen gebaseerd op cadmium-telluride of koper-indium/gallium-diselenide (CIGS). ECN ziet daar weinig in omdat metalen zoals indium relatief schaars zijn. "Gaan we daar op grote schaal mee aan de slag, dan worden de grondstoffen al na een jaar of tien onbetaalbaar. Wat ons betreft moet duurzaamheid vooropstaan. En dan heb je verreweg het meest aan silicium. Maar nog niet iedereen denkt er zo over."
