Verbeteren van de productie van zonnecellen is een pijler van ECN’s onderzoek naar energietechnologie. Onlangs werd in Petten een nieuwe machine afgeleverd. "Dit is 'm," zegt Ingrid Romijn van ECN Zonne-energie. "Onze MAiA XS. 'Extra small', maar hij kan bijna alles. Verzin een zonnecel-concept en hij deponeert de juiste lagen!"
Met zijn vacuümkamers, plasmabronnen en pompen vult de MAiA (multiple application in-line plant) een forse ruimte. Maar lang geen fabriekshal, terwijl hij toch goed is voor 200 zonnecellen per uur; genoeg voor een pilotproductie van industriële processen.
"Het is de opvolger van onze SiNA," vertelt Romijn. "Daarvoor hebben wij in de afgelopen tien jaar processen ontwikkeld die inmiddels gebruikt worden door 60 procent van de zonnecelfabrikanten in Europa en Azië. Het prototype bouwden we samen met de Duitse firma Roth & Rau, die ons nu de MAiA levert; een uitgebreide versie die aan zowel onder- als bovenzijde diëlektrische lagen zoals siliciumnitride en siliciumoxide kan deponeren. Bovendien kan hij silicium etsen."
€ per watt-piek
Een zonnecel met een hoger rendement zet een groter deel van het licht om in elektrisch vermogen. Dat is belangrijk, want al is zonlicht gratis, de prijs van een zonnepaneel neemt toe met het oppervlak. Een hoger rendement betekent dat een kleinere en daardoor goedkopere installatie dezelfde prestatie kan leveren - zolang de betere zonnecellen niet (veel) duurder zijn dan de standaardcellen. Het gaat erom een goede cel te maken van zo weinig mogelijk silicium en andere grondstoffen.
Verder is het zaak om de productiekosten te verlagen. De ideale productielijn is goedkoop in aanschaf en gebruik, en maakt veel cellen per uur. Met de MAiA mikt ECN op een geïntegreerde aanpak van al deze aspecten.
De zonnecel
Elke zonnecel bestaat uit twee lagen halfgeleidend materiaal, meestal silicium. In de ene laag worden elektrondonoren ingebracht, gewoonlijk via diffusie. De andere laag wordt juist voorzien van elektronacceptoren. Zo ontstaat een n-laag op een p-laag. Elektronacceptoren nemen een negatief geladen elektron op en doneren daarmee een ‘elektrongat’, te beschouwen als een positieve ladingsdrager. Een deel van de gedoneerde elektronen en hun tegenhangers wisselt stuivertje door het grensvlak tussen p en n over te steken. Daardoor wordt een elektrisch veld gevormd, dat het oversteken afremt en uiteindelijk stopt. Dat veld komt van pas zodra de cel zonlicht absorbeert en er door het hele materiaal extra paren negatieve en positieve ladingsdragers ontstaan. Want op het grensvlak worden die paren gescheiden: van een paar in de p-laag wordt het elektron doorgelaten naar de n-laag en zijn tegenhanger niet. Van paren in de n-laag wordt juist de positieve lading naar de overkant gestuurd. Zo onstaat een elektrisch potentiaalverschil. Worden de n- en de p-kanten via een externe belasting met elkaar verbonden, dan gaat een stroom lopen en levert de zonnecel elektrisch vermogen.
Wat beter kan
De zonnecel weerkaatst een deel van het invallende licht. Om dat verlies klein te houden, wordt het oppervlak enigszins ruw gemaakt en van een anti-reflectielaag voorzien. Een ander deel van het licht gaat door de cel heen zonder geabsorbeerd te worden. Reden om de achterzijde van binnen reflecterend te maken, zodat het licht een tweede kans krijgt. Verder gaat een deel van de paren verloren door 'recombinatie' - de negatieve en positieve ladingsdragers heffen elkaar op voordat het elektrische veld ze kan scheiden.
Recombinatie gebeurt vooral waar de kristalstructuur van het silicium fouten vertoont. Aan het oppervlak, op de grens tussen twee kristalgebieden en daar waar het silicium is vervuild met andere stoffen. Vandaar dat het extreem zuivere en foutloze monokristallijne silicium zoals gebruikt in de elektronische industrie de meest efficiënte zonnecellen oplevert. De relatief hoge prijs van dat materiaal maakt het iets minder zuivere en minder foutloze multikristallijne silicium ook interessant - als het lukt om het materiaal voldoende te 'passiveren'; zodanig te behandelen dat het recombinatieverlies wordt beperkt.
Boven: De brede contactstroken van de klassieke zonnecel verhuisden bij het PUM-concept (links, geregistreerd door Solland Solar) naar de achterzijde, maar de rest bedekt nog 5 procent van het oppervlak.
Boven: De MAiA is cruciaal voor onderzoek aan onder andere deze twee celconcepten, die beide kunnen leiden tot een verhoogd rendement. Beide concepten hebben aan de voor en achterkant een passiverende, dielectrische laag. De bovenste van de twee heet ASPIRe (All Sides Passivated and Interconnected at the Rear) en leverde al goede resultaten, zoals een rendement van 16 procent. MWT staat voor Metallization Wrap-Through.
Het tweede concept is een vervolg dat in de komende jaren meer aandacht krijgt. EWT (Emitter Wrap-Through) maakt de voorzijde van de cel helemaal vrij van contactstroken, waardoor het effectieve oppervlak in vergelijking met de ASPIRe cell circa 5 procent groter wordt.
Een nieuwe achterkant
"Gehydrogeneerd siliciumnitride werkt uitstekend als passiverende laag op de voorzijde, zegt Romijn. "het is bovendien een goede anti-reflectielaag." En ook de ondergrond voor de contactstroken die een van de elektrische polen van de cel vormen. De hitte tijdens het opbakken van die metaalstroken heeft als prettig neveneffect dat de waterstof verder in de cel dringt, zodat ook fouten dieper in het siliciummateriaal worden gepassiveerd.
Een andere methode om het rendement van zonnecellen te verhogen is een betere metallisatie. Dankzij de MAiA kunnen contactstroken van de voorzijde naar de achterkant verhuizen, met een 7 procent groter effectief oppervlak als resultaat.
Dat betekent ook afscheid van de volmetalen achterzijde, de tweede elektrische pool van de cel.
Romijn: "Met de MAiA gaat er echt een wereld voor ons open, doordat we nu op voor- én achterzijde ‘in/line’ goede passiverende lagen kunnen deponeren. En er zijn veel meer mogelijkheden; behalve siliciumnitride, kunnen we bijvoorbeeld ook siliciumoxide en dubbele lagen deponeren. Het idee is dat we aan de achterzijde het metaal gaan vervangen door isolerende lagen zoals siliciumoxide, en een open netwerk van contactstroken."
Een heel goed spoor
Bovendien sluit de techniek goed aan bij processen die al in de industrie worden gebruikt, zodat de stap van ´lab naar fab´ snel gemaakt kan worden. Is er nog kans op grote veranderingen, of blijft de siliciumcel dominant, en is het alleen nog een kwestie van betere concepten ontwikkelen voor productie door zoiets als de MAiA?
"Dat weet je nooit," zegt Romijn. "Andere soorten zonnecellen lijken wat terrein te winnen, maar tot nu toe evenaart geen enkel alternatief het rendement van de siliciumcel. Voorlopig zitten we op een heel goed spoor."
Contact
Ingrid Romijn
ECN Zonne-energie
Tel.: 022 456 4309
E-mail: Ingrid Romijn
Tekst: Steven Bolt
Info
Inline processing of crystalline silicon solar cells: the holy grail for large-scale manufacturing?
Reaching 16.4 % module efficiency with back-contacted mc-Si solar cells
An overview of MWT cells and evolution to the ASPIRE concept: a new integrated mc-Si cell and module design for high-efficiencies
PASHA: a new industrial process technology enabling high efficiencies on thin and large mc-Si wafers
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/
