Door een zuurstofrijke laag silicium tussen een zonnecel en zijn metalen contact te plaatsen, hebben onderzoekers in Europa prestatierecords kunnen breken voor de efficiëntie waarmee siliciumzonnecellen zonlicht omzetten in elektriciteit. Maar de uitdaging is nu om deze zogenaamde passiverende contacten geschikt te maken voor massaproductie.

"Er is momenteel veel opwinding over het passiveren van contacten tussen de zonnecelgemeenschap, " zei Dr. Byungsul Min van het Instituut voor Onderzoek naar Zonne-energie in Hamelen (ISFH), Duitsland. Dit jaar, dankzij de technologie kon zijn laboratorium een ​​nieuw recordrendement van 26,1% neerzetten voor het soort zonnecellen dat de fotovoltaïsche markt domineert. Commerciële zonnepanelen werken momenteel met een rendement van ongeveer 20%.

Passiverende contacten bestaan ​​uit twee dunne lagen geoxideerd en gekristalliseerd silicium tussen een zonnecel en zijn metalen contact. Sprekend tot een volle zaal in september op de European Photovoltaics Solar Energy Conference in Brussel, België, Dr. Min zei dat de lagen werken door gebroken atomaire bindingen op het siliciumoppervlak te genezen en het risico te verminderen dat elektrische ladingen vast komen te zitten als ze uit de zonnecel stromen.

Het ontwerp is in 2013 ontwikkeld door ISFH en het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE in Freiburg, Duitsland. In recente jaren, het heeft de energieconversie-efficiëntie van siliciumfotovoltaïsche cellen tot boven de 25% gebracht - een plafond dat de efficiëntie die onderzoekers in het laboratorium gedurende meer dan tien jaar konden bereiken, had beperkt.

Massafabricage

Nog altijd, Dr. Min zegt dat tot dusverre weinig fabrikanten passiverende contacten in de industrie hebben aangenomen. Als onderdeel van een project genaamd DISC, hij coördineert nu het werk met onderzoeksinstituten en fabrikanten van apparatuur in heel Europa om hun ontwerp voor massafabricage te stroomlijnen.

Voor het maken van record-zonnecellen met passiverende contacten waren tot dusver kostbare materialen en complexe laboratoriumtechnieken nodig die volgens Dr. Min niet kunnen worden toegepast in fabrieksassemblagelijnen. Echter, door deze geavanceerde benaderingen af ​​te schaffen en te vervangen door tools die al gebruikelijk zijn in de zonnecelindustrie, het DISC-consortium verwacht de productiekosten voor de technologie te verlagen.

ISFH heeft met name een dure en sterk geleidende indiumbevattende laag vervangen die op het celoppervlak wordt afgezet om elektrische ladingen beter op te vangen uit het passiverende contact. Door de druk- en temperatuuromstandigheden tijdens de productie nauwkeurig af te stemmen, Dr. Min kan nu een zinkbevattende laag vormen die vergelijkbare fysische eigenschappen vertoont bij het gebruik van overvloedige materialen.

De Nederlandse apparatuurleverancier Meco verwisselt complexe lithografiestappen met plateringstechnieken die de elektrische contacten van passiverende contactzonnecellen kunnen metalliseren met een doorvoer die hoog genoeg is voor fabrieksassemblagelijnen.

Het afgelopen jaar, DISC-samples zijn door Frankrijk gependeld, Duitsland, Zwitserland en Nederland spelen als partners hun rol in een internationale aanvoerlijn. Elk laboratorium voegt een laag silicium of andere materialen toe waarin het gespecialiseerd is, het geleidelijk opbouwen van de stapel halfgeleiders tot een functionerende zonnecel.

"In augustus, we hebben onze eerste zonnecellen op industriële schaal voltooid, "Zei Dr. Min. "Ze hebben al een energieconversie-efficiëntie van meer dan 21% bereikt." Dit valt binnen het bereik van zonnecellen die momenteel op de markt zijn.

In het komende jaar, Dr. Min verwacht dat het verfijnen van de lagen in deze fabrieksvriendelijke apparaten hun prestaties boven die van de concurrentie zal doen uitkomen. In een sector waar een verschil van slechts een half procent bedrijven kan maken of breken, een technologie met een bewezen potentieel van meer dan 25% efficiëntie in het laboratorium biedt aantrekkelijke perspectieven voor fabrikanten.

"We moeten naar een hogere efficiëntie van zonnecellen gaan, " beaamt Dr. Martin Hermle, een van de pioniers van het passiveren van contacten bij Fraunhofer ISE. Zijn onderzoeksgroep ontwikkelt nu industriële depositiemethoden voor de in DISC geproduceerde zonnecellen, en het ontwikkelen van manieren om hun energieconversie-efficiëntie verder te verhogen in een ander project genaamd Nano-Tandem.

"De kosten van zonnepanelen worden grotendeels bepaald door hun oppervlakte. Als je cellen kunt maken met 30% efficiëntie in plaats van 20% of 15%, dat helpt echt om de totale kosten van zonne-energie te verlagen."

33% efficiëntie

Eerder dit jaar, Fraunhofer ISE produceerde een zonnecel met een verbluffend rendement van 33%. Onderzoekers stapelden een siliciumzonnecel met passiverende contacten op met twee extra zonnecellen gemaakt van meer exotische materialen, gebaseerd op elementen in de derde en vijfde groep van het periodiek systeem.

"Deze topcellen zijn goed in het absorberen van blauwe tinten licht, maar ze zijn gemaakt van relatief zeldzame elementen, zoals gallium of indium, die ook langzamer te assembleren zijn dan conventionele siliciumzonnecellen, " zei Dr. Hermle. "Als u op de massamarkt wilt concurreren, je moet de kosten van de materiaalafzetting met ongeveer twee ordes van grootte verlagen."

Een oplossing die Nano-Tandem onderzoekt, is om er minder van te gebruiken. Fraunhofer ISE heeft siliciumzonnecellen met passiverende contacten naar IBM Research Zürich gestuurd, waar projectpartners zonnecellen bovenop plaatsen, niet als vaste lagen, maar als draadtapijten van amper 1000 atomen breed. Startup Sol Voltaics en Lund University in Zweden ontwikkelen een mogelijk goedkopere manier om de nanodraden te vervaardigen, ze assembleren ze uit gasmoleculen terwijl ze door een buisoven vliegen.

Nano-Tandem-coördinator Professor Lars Samuelson van de Universiteit van Lund zegt dat de gebruikte grondstoffen duur zijn, maar dat fotonische effecten daarin hun economie zouden kunnen veranderen. Hij zegt dat, wijselijk verzameld, fabrikanten zouden in principe 90% minder materiaal kunnen gebruiken zonder veel impact op de efficiëntie of lichtabsorptie van hun zonnecellen.

Dit is het soort innovatieve voorsprong dat Dr. Hermle beschrijft als cruciaal om Europese onderzoeksinstituten aan het hoofd van zonneceltechnologie te houden. Nu de markt voor zonnecellen omhoogschiet naar 11-cijferige jaarcijfers, Aziatische concurrentie drijft Europese fabrikanten steeds meer uit de markt.

Dr. Hermle zegt dat het passiveren van contacten een voorbeeld is van hoe de Europese industrie relevant kan blijven in het licht van de wereldwijde concurrentie. "Dit is een technologie die echt vanuit Europa naar de markt voor zonnecellen is gekomen, " hij zei.