Een team van wetenschappers van de Universiteit van Manchester heeft na 40 jaar onderzoek over de hele wereld een belangrijke fout in zonnepanelen opgelost.

Zonnepanelen behoren tot de meest beschikbare systemen voor het opwekken van energie via hernieuwbare bronnen vanwege hun relatieve kosten en beschikbaarheid voor de consument. Echter, de meeste zonnecellen halen slechts 20 procent efficiëntie - voor elke kW equivalent zonlicht, ongeveer 200W elektrisch vermogen kan worden gegenereerd.

Nu heeft een internationaal team van onderzoekers een belangrijk fundamenteel probleem van materiaaldefecten opgelost, dat de efficiëntie van zonnecellen beperkt en verslechtert. Het probleem is al meer dan 40 jaar bekend en bestudeerd, met meer dan 270 onderzoekspapers toegeschreven aan het probleem zonder oplossing.

Het nieuwe onderzoek toont de eerste waarneming van een voorheen onbekend materiaaldefect dat de efficiëntie van siliciumzonnecellen beperkt.

Prof Tony Peaker, die het onderzoek coördineerde dat nu is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde zei:"Vanwege de ecologische en financiële impact, 'efficiëntiedegradatie' van zonnepanelen is het onderwerp geweest van veel wetenschappelijke en technische belangstelling in de afgelopen vier decennia. Echter, ondanks dat enkele van de knapste koppen in de business eraan werken, het probleem heeft tot nu toe standvastig weerstand geboden aan een oplossing."

"Tijdens de eerste bedrijfsuren na installatie, het rendement van een zonnepaneel daalt van 20 procent naar ongeveer 18 procent. Een absolute daling van 2 procent in efficiëntie lijkt misschien niet zo'n groot probleem, maar als je bedenkt dat deze zonnepanelen nu verantwoordelijk zijn voor het leveren van een groot en exponentieel groeiend deel van de totale energiebehoefte van de wereld, het is een aanzienlijk verlies van elektriciteitsopwekkingscapaciteit."

De energiekosten van dit tekort over 's werelds geïnstalleerde zonnecapaciteit bedragen in de 10's van gigawatt, dit komt overeen met meer energie dan wordt geproduceerd door het gecombineerde totaal van 15 kerncentrales in het VK. Het zonnetekort moet daarom worden opgevangen door andere, minder duurzame energiebronnen, zoals het verbranden van fossiele brandstoffen.

De multidisciplinaire experimentele en theoretische benadering van de onderzoekers identificeerde het mechanisme dat verantwoordelijk is voor Light Induced Degradation (LID). Door een gespecialiseerde elektrische en optische techniek te combineren, bekend als "deep-level transiënte spectroscopie" (DLTS), het team heeft het bestaan ​​van een materiaaldefect ontdekt dat aanvankelijk sluimert in het siliciumgebruik om de cellen te vervaardigen.

De elektronische lading in het grootste deel van de siliciumzonnecel wordt onder zonlicht getransformeerd, onderdeel van het energieopwekkingsproces. Het team ontdekte dat deze transformatie een zeer effectieve "val" omvat die de stroom van foto-gegenereerde ladingsdragers (elektronen) verhindert.

Dr. Iain Crowe zei:"Deze stroom van elektronen bepaalt de grootte van de elektrische stroom die een zonnecel aan een circuit kan leveren, alles wat het belemmert, vermindert effectief de efficiëntie van de zonnecel en de hoeveelheid elektrisch vermogen die kan worden gegenereerd voor een bepaald niveau van zonlicht. We hebben bewezen dat het defect bestaat, het is nu een technische oplossing die nodig is."

De industriestandaardtechniek die wordt gebruikt om de kwaliteit van het siliciummateriaal te bepalen, meet de levensduur van ladingsdragers, die langer is in materiaal van hoge kwaliteit met minder "vallen". De onderzoekers in Manchester onder leiding van professor Matthew Halsall ontdekten dat hun waarnemingen sterk gecorreleerd waren met de levensduur van deze ladingsdrager, die aanzienlijk werd verminderd na transformatie van het defect onder belichting. Ze merkten ook op dat het effect omkeerbaar was, de levensduur nam weer toe wanneer het materiaal in het donker werd verwarmd, een proces dat gewoonlijk wordt gebruikt om de "vallen" te verwijderen.

De krant, "Identificatie van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de door boriumzuurstof veroorzaakte degradatie in fotovoltaïsche siliciumcellen, " is gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .