Technologische topprestaties in 2005 bij ECN Zonne-energie

Onderzoek aan fotovoltaïsche zonne-energie (PV) strekt zich uit over een ongehoord breed terrein. Alleen al bij silicium PV-technologie zijn er zes disciplines die bij elkaar moeten komen om werkende systemen te vormen. Ten eerste moet silicium in voldoende zuivere vorm worden bereid. Uit gesmolten silicium moeten wafers, dunne lagen met nauw omschreven specificaties, worden gegoten, of, na kristallisatie, uit een blok worden gezaagd. Deze wafers worden verwerkt tot  zonnecellen, welke bij invallend licht stroom produceren. De zonnecellen worden in serie geschakeld en ingepakt in modules, en deze laatste moeten weer worden ingepast: bouwtechnisch in bouwconstructies en elektrotechnisch in een elektriciteitsnet.

De programma-unit Zonne-energie beheerst al deze disciplines en neemt in enkele ervan topposities in. Een absolute topper in 2005 was de celrendementsverhoging met één procentpunt op wafers vervaardigd met de in eigen huis ontwikkelde RGS wafertechnologie. RGS (Ribbon Growth on Substrate) maakt het mogelijk siliciumcellen niet meer te zagen maar in één keer in een dunne laag te gieten. Dat brengt grote besparingen met zich mee in tijd, kosten en materiaalgebruik. Hiermee ontstaat de mogelijkheid op industriële schaal wafers te produceren die minstens twee keer minder kosten dan de wafers die nu op de markt zijn.

Paul Wyers, unitmanager Zonne-energie bij ECN: "Met RGS is een grote opschaling van de waferproductie mogelijk. Een machine kan met deze techniek 50 MWp per jaar produceren tegenover 2 MWp op dit moment met de huidige kristallisatieovens. Wij zijn deze technologie nog aan het vervolmaken. Op dit moment is de uitdaging tweeërlei: het bouwen van een machine die RGS-wafers kan produceren met een tempo van één wafer per seconde, en het behalen van een hoger rendement op dergelijke wafers. Afgelopen jaar hebben wij op RGS-materiaal 12,8 procent als hoogste rendement gehaald, weer een procentpunt erbij. Het rendement is van groot belang voor de prijs per vermogenseenheid van het hele systeem. De wafer vormt de helft van de moduleprijs en elke procentpunt tikt dus aan.”

 RGS machine: waferproductie aan de lopende band.

Om de fragiele zonnecellen zo goed mogelijk te kunnen benutten is bij ECN een zonneceltype ontworpen dat beide elektrische contacten aan de achterzijde heeft (de zogenaamde PUM-cel). Hiermee is op eenvoudige wijze de  serieschakeling tot stand te brengen, zodanig dat de mechanische spanning op de fragiele cellen gering blijft. Wyers: “Fabricage van onze PUM cellen zal het komende jaar ter hand worden genomen in de fabriek van Solland op het Duits/Nederlandse industriegebied Avantis bij Heerlen. Het in gebruik nemen van deze fabriek betekent niet dat het product al uitontwikkeld is. Er zijn nog vele mogelijkheden voor kostenbesparing."

De dunne-film PV-technologie bevindt zich nog in een relatief pril stadium van ontwikkeling en er is daarom slechts beperkte overlap met de overige programma's. Wyers: "Toch is er wederzijdse bevruchting. Een voorbeeld daarvan is de technologie die gebruikt wordt voor de depositie van de antireflectiecoating op kristallijn silicium zonnecellen; dit is dezelfde technologie die we gebruiken bij het aanbrengen van dunne films silicium op een vreemde onderlaag. Ook de karakterisering en de moduletechnologie zijn verwant."

Dunne-film PV-technolgie: technologie van de toekomst.

"We werken aan twee dunne filmtechnologieën: dunne film silicium en organische zonnecellen. Deze laatste zijn nog in een veel vroeger ontwikkelingsstadium. Er wordt ook fundamenteel onderzoek gedaan naar methoden om de opbrengst van zonnecellen aanzienlijk te verhogen. Wyers: "Doordat de gevoeligheid van zonnecellen niet goed aansluit op het spectrum van het licht (spectrale mismatch) verlies je direct 55 procent van de energie uit zonlicht. Elke cel is maar voor een beperkt deel van het spectrum gevoelig, en wil je het hele spectrum gebruiken dan moet je of een stapeling van cellen maken (tandemcellen), of het spectrum converteren: één blauw foton zo ver krijgen dat het zich omzet in twee rode fotonen, of omgekeerd. Het maximale theoretische rendement van 28 procent kan langs deze weg aanzienlijk worden verhoogd. Maar het toepasbaar maken van die technologie is nog echte toekomstmuziek."

Zo is de portefeuille van de programma-unit Zonne-energie gevuld met onderzoek op korte, middellange en lange termijn. Op de korte termijn is de hoop gevestigd op enkele stevige posities, die al tot aansprekende resultaten hebben geleid.

Contact:
Paul Wyers
Unitmanager ECN Zonne-energie
Tel. 0224 56 4407
wyers@remove-this-part-ecn.nl