Aan het einde van een van de heetste zomers ooit, terwijl ruzies over hoe huizen van stroom kunnen worden voorzien woeden, hernieuwbare zonne-energie blijft een optie die niet significant broeikasgassen toevoegt aan het milieu in ruil voor verlichting en koeling van onze huizen. En het heeft net een ander voordeel gekregen door materiaalwetenschap.

In een nieuwe studie gepubliceerd in energieën , onderzoekers hebben een manier gevonden om de productiekosten van zonnecellen met meer dan 10 procent te verlagen.

"Het verbeteren van de kosten per eenheid vermogen op celniveau kan stroomafwaarts enorme effecten hebben, " zegt Joshua Pearce, hoogleraar materiaalwetenschappen en elektrotechniek aan Michigan Tech. Nu al, hij zegt, kosten van zonne-energie zijn vergelijkbaar met conventionele vormen van elektriciteit en is de snelst groeiende energiebron. Deze daling van 10 procent zou zonne-energie nog sneller naar de voorgrond moeten duwen.

Het omschakelen van het silicium dat in zonnecellen wordt gebruikt voor hernieuwbare energie verlaagt de kosten

Silicium is het standaard lichtopnemende materiaal dat wordt gebruikt in fotovoltaïsche (PV) zonnecellen. Het komt in twee hoofdvormen:perfecte kristallen die meer kosten en een hogere efficiëntie produceren en multikristallijn silicium dat minder kost, maar biedt een lager rendement. Met gemeenschappelijk etsen om gereflecteerd licht te verminderen, verliezen beide typen nog steeds wat licht, dat is wat de meeste zonnepanelen hun blauwe kleur geeft.

Onderzoekers wisten al dat silicium met nanotextuur met droog etsen zwart silicium (zwart-Si) maakt dat efficiënter is in het opvangen van licht dan standaard etsbehandelingen. Het heeft geen kleur omdat het droge etsproces een normaal vlak siliciumoppervlak neemt en het in een woud van naalden op nanoschaal etst, "zegt Pearce. "Die naalden grijpen het licht en laten het niet ontsnappen. Het is alsof je in de ogen van Darth Vader kijkt."

Normaal gesproken zou zo'n groot oppervlak met veel oppervlaktedefecten de elektrische prestaties schaden, maar onderzoekers van de Aalto University ontdekten dat wanneer het silicium ook wordt behandeld met een geschikte atomaire laagafzetting (ALD) coating, de effecten van oppervlaktedefecten worden verzacht.

Typische gedachten waren dat de kosten van zwarte Si-cellen van droog etsen en ALD te duur zijn voor praktisch gebruik, vooral in een branche waar Pearce zegt, "De marges zijn extreem krap. Iedereen probeert de kosten zo laag mogelijk te houden."

Echter, de resultaten van hun onderzoek schokten zelfs Pearce. Terwijl onderzoekers ontdekten dat de productie van individuele Black-Si passieve emitter-achtercellen (PERC) tussen 15,8 en 25,1 procent duurder was dan het maken van conventionele cellen, ze ontdekten ook dat de efficiëntiewinst en de mogelijkheid om naar het goedkopere multikristallijne siliciumuitgangsmateriaal te gaan veel groter was dan die extra kosten:over het algemeen daalden de kosten per eenheid vermogen met 10,8 procent.

De toekomst van hernieuwbare energiebronnen en zonne-energieproductie door materiaalwetenschap

Zwart is niet alleen beter dan blauw als het om zonnepanelen gaat. De verbeteringen zouden de grootste concurrent van hernieuwbare energie op het gebied van klimaatverandering kunnen verslaan.

"Voor de mensen die denken dat steenkooltechnologie kan concurreren met zonne-energie, ze moeten weten dat de kosten voor zonne-energie nog steeds dalen. De meeste kolenbedrijven zijn al of dichtbij, nu failliet, Pearce zegt. "Het is onmogelijk dat steenkool in de toekomst kan concurreren met zonne-energie."

Hij voegt toe, "Deze studie geeft aan waar de toekomst naartoe gaat in de PV-productie en wat landen zouden willen doen om zichzelf een concurrentievoordeel te geven."

Samenwerken aan de overkant van de Atlantische Oceaan voor efficiëntie van zonne-energie

Pearce voltooide deze studie tijdens een sabbatical als Fulbright-leerstoel aan de Aalto University in Finland. Hij werkte met de Electron Physics Group van Hele Savin en had toegang tot hun gegevens over deze processen. Onderzoekers konden ook informatie krijgen over productiekosten van bedrijven, die niet openbaar is, maar mochten gebruiken voor dit onderzoek, samen met gepubliceerde literatuur over zonnecellen.

Hoewel de spotprijs voor zonnecellen van dag tot dag kan veranderen, of zelfs per uur, blijven de resultaten behouden. "Dat is een afname van 10 procent tussen celtypen, ongeacht het aantal die dag, " zegt hij. Dit komt omdat de vergelijkingen zijn gemaakt op relatieve kosten, geen absolute kosten. Dat is ook de reden waarom willekeurig fluctuerende tarieven niet zijn meegenomen in de berekeningen.

Wat biedt de toekomst voor zonne-energie en hernieuwbare energie

Pearce zegt dat hoewel het productieproces nog kan worden geoptimaliseerd om nog een paar procentpunten aan efficiëntie te behalen, de volgende stap voor deze studie is om door beleidsmakers te worden gebruikt om de productie van PV te versnellen. Voor een land als China, die al de wereldwijde PV-productie domineert, "om deze relatief kleine verandering aan te brengen is vrij triviaal." De Europese Unie, die momenteel veel van de productieapparatuur maakt, moet ook "zorgvuldig kijken naar het opschalen van diepe reactieve ionenets- en ALD-tools om te voldoen aan de behoeften van de snelgroeiende PV-markt". Hij hoopt dat landen als de V.S. die vroeger het zonneveld domineerde, zal deze gegevens op beleidsniveau gebruiken om internationale fabrikanten over de streep te trekken, en investeren in de productie van de nieuwe machines om dit soort zonnecellen te produceren.

"Ik weet niet welke technologie uiteindelijk het zonneveld zal domineren, " hij zei, "De studie toont echter de duidelijke economische impuls aan om in de richting van drooggeëtste zwarte silicium PERC te gaan die er eerder niet was."

Deze studie werd uitgevoerd met Chiara Modanese, Hannu Laine, Toni Pasanen en Hele Savin van de Aalto Universiteit in Finland.