Zonnecellen zijn op dit moment nog niet efficiënt en goedkoop genoeg om op grote schaal in te zetten. Maar we verbeteren ze stap voor stap. “Binnen tien jaar zullen ze zo goed zijn, dat ze in Nederland stroom leveren die concurreert met stroom van het openbare net”, zegt ECN-onderzoeker Jan Kroon.
Onlangs meldde hij samen met collega Paul Sommeling op een congres over zonnecellen in Hamburg, dat ECN erin geslaagd is zogenoemde kleurstofzonnecellen veel stabieler te maken. Aangezien deze cellen relatief goedkoop zijn, bieden ze perspectief om op den duur grootschalig te worden toegepast.
ECN werkt op het gebied van zonnecellen op drie fronten tegelijk: het verbeteren van de huidige zonnecellen, waarvan 80% is gemaakt van kristallijn silicium, het ontwikkelen van dunne-film-silicium zonnecellen en organisch gebaseerde zonnecellen, waaronder kleurstofzonnecellen en polymere zonnecellen. Met een paneel van kristallijn silicium-zonnecellen voorzien van een DSM-coating op het glas vestigde ECN dit voorjaar overigens nog een nieuw wereldrecord: dit paneel zet zonlicht voor 16,4% om in elektriciteit.
Lange adem nodig
“De uitdaging is om steeds betere zonnecellen te maken tegen steeds lagere kosten”, zegt Kroon. “Het draait om de euro’s per watt vermogen bij volle zon, ofwel watt-piek. Die krijg je door de euro’s per vierkante meter te delen door de hoeveelheid watt per vierkante meter. Bij ECN kijken we vooral hoe we de kosten per vierkante meter omlaag kunnen krijgen en tegelijk ook of we het rendement van de zonnecellen kunnen verbeteren, zodat het vermogen per vierkante meter omhoog gaat.”
Als de prijs voor zonnestroom eenmaal de helft lager is, ligt grootschalige inzet binnen bereik. Maar de eerstkomende jaren is die niet te verwachten. “Dit soort ontwikkelingen gaat stap voor stap en vergen een lange adem”, waarschuwt hij. Hij doelt onder andere op de ontwikkeling van de kleurstofzonnecel, een uitvinding van de Zwitser Michael Grätzel uit 1991. “Je kunt ze gemakkelijk maken. Het Nederlandse bedrijfje Mansolar levert bijvoorbeeld kits aan scholen, waarmee kinderen in korte tijd kleurstofzonnecellen maken met bramensap als kleurstof. In het begin leverden de beste kleurstofzonnecellen op labschaal al een rendement op van zo’n 7%. Geen wonder dat men er in de jaren negentig hoge verwachtingen van had. Maar de eerste commerciële toepassingen komen pas nu in zicht. Inmiddels wordt met kleurstofzonnecellen een rendement van 12% gehaald. Voordeel is dat je geen dure technologie nodig hebt om ze te maken. Dat kan eventueel in kleine fabrieken, bijvoorbeeld in ontwikkelingslanden. Het knelpunt van dit type zonnecel is echter de levensduur. “Voor een dakpaneel bijvoorbeeld moet je een zonnecel hebben die 20 jaar meegaat. Dat haalt deze zonnecel voorlopig nog niet”, verklaart Kroon.
Bolletjes titaniumoxide en kleurstof
De kleurstofzonnecel bestaat uit een sandwich van een vlakke anode en kathode met daartussen een laagje poreus titaniumdioxide. Het gaat om bolletjes titaniumdioxide van 10 tot 20 nanometer die deels samengesmolten zijn, waardoor ze een poreus materiaal vormen met een groot inwendig oppervlak. Op dit oppervlak is de kleurstof aangebracht. Die absorbeert het licht zodat elektronen vrijkomen die het titaniumdioxide opneemt. Die staat ze weer af aan de kathode. In de elektrolyt zitten jodide-ionen (I-), die elektronen afstaan aan de kleurstof, waarbij tri-jodide-ionen (I3-) ontstaan. Die diffunderen door de cel naar de anode waar ze de elektronen opnemen, die afkomstig zijn van de kathode en daar via het elektrische circuit zijn aangekomen. En zo is de cirkel rond.
Complex proces
“Het gaat om een complex elektrochemisch proces in meerdere stappen”, legt Kroon uit. “De langzaamste stap bepaalt het rendement van de zonnecel. Als de kleurstof de elektronen niet snel genoeg afgeeft geeft dat misschien een leuk fluorescerend of fosforescerend effect, maar geen elektriciteit. Als de laag te dun is, gaat het meeste licht er doorheen en warmt de kathode alleen maar op. En een te dikke kleurstoflaag werkt ook niet.”
Na behandeling van de kleurstof met titaniumchloride blijft het rendement van de zonnecel een stuk hoger dan zonder.
Duurtesten in klimaatkamer
In de klimaatkamer van ECN hebben Kroon en Sommeling de kleurstofzonnecellen onderworpen aan veel warmte en licht om te kijken hoe snel ze verouderen. Bij één van de testen zijn ze bijvoorbeeld 1000 uur blootgesteld aan een temperatuur van 80 oC en vol zonlicht. Cellen waarvan het titaniumdioxide behandeld is met titaniumtetrachloride (TiCl4) blijken daartegen bestand te zijn, zelfs als er ook een beetje (5%) water in het elektrolyt zit. Kroon: “Hiermee komt de stabiliteit op een zodanig niveau dat commerciële toepassing in zicht komt. Maar we gaan door met ons onderzoek. We begrijpen nog niet helemaal waarom de cel soms stabieler is en soms minder stabiel. Met trial-and-error-methoden komen we niet veel verder. Eerst moeten we fundamenteel inzicht krijgen in het verouderingsproces. Pas dan kunnen we gericht werken aan de verdere verbetering van de cel.”
Kroon en zijn collega’s willen grip krijgen op het proces dat zich in de zonnecel afspeelt. “Daarnaast willen we de kleurstofzonnecel klaarstomen voor industriële productie. Daarvoor moeten we aantonen dat de cel een hoog rendement heeft en dat we cellen reproduceerbaar kunnen maken, dus met een laag uitvalpercentage. Hierbij werken we samen met het Fraunhofer ISE-instituut in het Duitse Freiburg. We denken aan het oprichten van een gezamenlijk spin-out-bedrijf, dat de commerciële ontwikkeling oppakt.”
Mobiele telefoon
Overigens produceert het Britse bedrijf G24i al kleurstofzonnecellen op flexibele folie als oplader voor onder andere mobiele telefoons. Dat het rendement maar 2% tot 3% is en de levensduur ongeveer drie jaar, maakt voor deze toepassing niet zoveel uit. “Binnen tien jaar zou de kleurstofzonnecel wel eens circa 100 euro per vierkante meter kunnen kosten met rendementen van 5% tot 12%. De cel is dan goedkoop genoeg om te integreren in de gevels van gebouwen of te verwerken in ramen, want de cel kan ook gedeeltelijk doorzichtig gemaakt worden. Verder zijn diverse kleuren mogelijk, wat ontwerpers van toepassingen extra vrijheid biedt”, zo voorspelt Kroon.
De ECN-onderzoeker blijft realistisch. “Nog niet alle knelpunten zijn opgelost, maar de ontwikkeling is veelbelovend, aangezien we nu een kleurstofzonnecel in handen hebben die gedurende lange tijd bij 80 graden Celsius en volle zon stabiel is. En van de eerste toepassingen zoals in de mobiele telefoon, kunnen we het nodige leren. Zo stevenen we stap voor stap af op grootschalige toepassing”, aldus Kroon.
Contact
Jan Kroon
ECN Zonne-energie
Tel.: 022 456 4734
E-mail: Jan Kroon
Info
Klik hier om de presentatie van hun onderzoek Long term stability of dye sensitized solar cells te bekijken of te downloaden.
Tekst: Erik te Roller
Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/
