De kosten van zonnepanelen zijn de afgelopen jaren sterk gedaald, wat leidde tot tarieven van zonne-installaties veel hoger dan de meeste analisten hadden verwacht. Maar aangezien de meeste potentiële gebieden voor kostenbesparingen al tot het uiterste zijn doorgedreven, verdere kostenbesparingen worden steeds moeilijker te vinden.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het MIT en het National Renewable Energy Laboratory (NREL) hebben een weg uitgestippeld om de kosten verder te verlagen, dit keer door de siliciumcellen zelf af te slanken.

Dunnere siliciumcellen zijn eerder onderzocht, vooral ongeveer een tiental jaar geleden, toen de kosten van silicium een ​​hoogtepunt bereikten vanwege tekorten aan het aanbod. Maar deze aanpak had enkele problemen:de dunne siliciumwafels waren te broos en breekbaar, wat leidt tot onaanvaardbare verliezen tijdens het productieproces, en ze hadden een lagere efficiëntie. De onderzoekers zeggen dat er nu manieren zijn om deze uitdagingen aan te pakken door het gebruik van betere handlingapparatuur en enkele recente ontwikkelingen in de zonnecelarchitectuur.

De nieuwe bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een paper in het tijdschrift Energie- en milieuwetenschappen , co-auteur van MIT-postdoc Zhe Liu, hoogleraar werktuigbouwkunde Tonio Buonassisi, en vijf anderen bij MIT en NREL.

De onderzoekers omschrijven hun aanpak als "techno-economisch, " benadrukkend dat op dit moment economische overwegingen net zo cruciaal zijn als de technologische om verdere verbeteringen in de betaalbaarheid van zonnepanelen te bereiken.

Momenteel, 90 procent van 's werelds zonnepanelen zijn gemaakt van kristallijn silicium, en de industrie blijft groeien met ongeveer 30 procent per jaar, zeggen de onderzoekers. De silicium fotovoltaïsche cellen van vandaag, het hart van deze zonnepanelen, zijn gemaakt van siliciumschijven van 160 micrometer dik, maar met verbeterde verwerkingsmethoden, de onderzoekers stellen voor dat dit kan worden teruggebracht tot 100 micrometer - en uiteindelijk slechts 40 micrometer of minder, waarvoor slechts een kwart zoveel silicium nodig zou zijn voor een bepaald paneelformaat.

Dat kon niet alleen de kosten van de afzonderlijke panelen verlagen, ze zeggen, maar nog belangrijker, het zou een snelle uitbreiding van de productiecapaciteit van zonnepanelen mogelijk maken. Dat komt omdat de uitbreiding kan worden beperkt door limieten voor hoe snel nieuwe fabrieken kunnen worden gebouwd om de siliciumkristalblokken te produceren die vervolgens als salami worden gesneden om de wafels te maken. Deze planten, die over het algemeen gescheiden zijn van de zonnecelfabrieken zelf, zijn vaak kapitaalintensief en tijdrovend om te bouwen, wat zou kunnen leiden tot een knelpunt in het groeitempo van de productie van zonnepanelen. Het verminderen van de wafeldikte zou dat probleem mogelijk kunnen verlichten, zeggen de onderzoekers.

De studie keek naar de efficiëntieniveaus van vier variaties van zonnecelarchitectuur, inclusief PERC-cellen (gepassiveerde emitter en achtercontact) en andere geavanceerde hoogrenderende technologieën, het vergelijken van hun output op verschillende dikteniveaus. Het team ontdekte dat er in feite weinig afname van de prestaties was tot diktes van slechts 40 micrometer, met behulp van de verbeterde productieprocessen van vandaag.

"We zien dat er een gebied is (van de grafieken van efficiëntie versus dikte) waar de efficiëntie vlak is, "Lou zegt, "en dat is dus de regio waar je mogelijk wat geld kunt besparen." Vanwege deze vooruitgang in celarchitectuur, hij zegt, "We begonnen echt in te zien dat het tijd was om de kostenvoordelen opnieuw te bekijken."

Het veranderen van de enorme fabrieken voor de productie van panelen om zich aan te passen aan de dunnere wafels zal een tijdrovend en duur proces zijn, maar de analyse laat zien dat de voordelen veel groter kunnen zijn dan de kosten, zegt Liu. Het zal tijd kosten om de nodige apparatuur en procedures te ontwikkelen om het dunnere materiaal mogelijk te maken, maar met bestaande technologie, hij zegt, "het zou relatief eenvoudig moeten zijn om naar 100 micrometer te gaan, ", wat al een aantal aanzienlijke besparingen zou opleveren. Verdere verbeteringen in technologie, zoals een betere detectie van microscheuren voordat ze groeien, kunnen helpen om de dikte verder te verminderen.

In de toekomst, de dikte kan mogelijk worden teruggebracht tot slechts 15 micrometer, hij zegt. Nieuwe technologieën die dunne wafels van siliciumkristal rechtstreeks laten groeien in plaats van ze uit een grotere cilinder te snijden, kunnen een dergelijke verdere uitdunning mogelijk maken, hij zegt.

De ontwikkeling van dun silicium heeft de afgelopen jaren weinig aandacht gekregen omdat de prijs van silicium is gedaald ten opzichte van de eerdere piek. Maar, vanwege kostenbesparingen die al hebben plaatsgevonden in de efficiëntie van zonnecellen en andere delen van het productieproces en de toeleveringsketen van zonnepanelen, de kostprijs van het silicium is opnieuw een factor die het verschil kan maken, hij zegt.

"Efficiency kan maar een paar procent omhoog. Dus als je verdere verbeteringen wilt, dikte is de manier om te gaan, ", zegt Buonassisi. Maar de conversie vereist grote kapitaalinvesteringen voor volledige implementatie.

Het doel van deze studie, hij zegt, is om een ​​routekaart te bieden voor diegenen die mogelijk van plan zijn om uit te breiden in technologieën voor de productie van zonne-energie. Door het pad "concreet en tastbaar te maken, " hij zegt, het kan bedrijven helpen dit in hun planning op te nemen. "Er is een pad, "zegt hij. "Het is niet gemakkelijk, maar er is een pad. En voor de first movers, het voordeel is aanzienlijk."

Wat kan er nodig zijn, hij zegt, is voor de verschillende belangrijke spelers in de industrie om samen te komen en een specifieke reeks stappen voorwaarts en overeengekomen normen uit te werken, zoals de industrie voor geïntegreerde schakelingen al vroeg deed om de explosieve groei van die industrie mogelijk te maken. "Dat zou echt transformerend zijn, " hij zegt.

André Augusto, een associate research scientist aan de Arizona State University die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt:"verfijning van silicium en waferproductie is het meest kapitaaluitgaven (capex) veeleisende onderdeel van het productieproces van zonnepanelen. Dus in een scenario van snelle expansie, de wafertoevoer kan een probleem worden. Dunner worden lost dit probleem gedeeltelijk op, omdat je meer wafels per machine kunt maken zonder de capex aanzienlijk te verhogen." Hij voegt eraan toe dat "dunnere wafels prestatievoordelen kunnen opleveren in bepaalde klimaten, " presteren beter in warmere omstandigheden.

Hernieuwbare energieanalist Gregory Wilson van Gregory Wilson Consulting, die niet bij dit werk betrokken was, zegt:"De impact van het verminderen van de hoeveelheid silicium die in reguliere cellen wordt gebruikt, zou zeer significant zijn, zoals het papier aangeeft. De meest voor de hand liggende winst zit in de totale hoeveelheid kapitaal die nodig is om de PV-industrie op te schalen naar de multi-terawatt-schaal die nodig is voor het klimaatveranderingsprobleem. Een ander voordeel is de hoeveelheid energie die nodig is om silicium PV-panelen te produceren. Dit komt omdat de processen voor de productie van polysilicium en de groei van ingots die nodig zijn voor de productie van hoogrenderende cellen zeer energie-intensief zijn."

Wilson voegt toe:"Belangrijke fabrikanten van PV-cellen en -modules moeten horen van geloofwaardige groepen zoals Prof. Buonassisi's bij MIT, omdat ze deze verschuiving zullen maken wanneer ze duidelijk de economische voordelen kunnen zien."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.