Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
176–1
Zonnecellen door dr. F.M. Witte Novem (Nederlandse Onderneming voor Energie en Milieu), Postbus 8242, 3500 RE Utrecht.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Inleiding Kristallijn silicium zonnecellen Amorf silicium zonnecellen Organische zonnecellen Overige dunne-film zonnecellen Milieuaspecten van zonnecellen Literatuur
176– 3 176– 4 176– 7 176–11 176–15 176–17 176–19
Chemische Feitelijkheden is een uitgave van Ten Hagen & Stam bv in samenwerking met de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging. 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
1.
176–3
Inleiding
De zon is een schone en onuitputtelijke bron van energie. Zonnecellen zetten het zonlicht om in elektrische stroom. Zonnestroom wordt vaak met pv aangeduid. Dit komt van het Engelse woord „photovoltaic”. De omzetting van zonlicht in elektriciteit is namelijk een fotovoltaïsch proces. Zonnecellen werken niet alleen op direct zonlicht maar ook wanneer het bewolkt is en zelfs bij kunstlicht. Bijna alle rekenmachientjes werken tegenwoordig op kleine zonnecellen. Zonlicht is er in overvloed. Zelfs in Nederland is er genoeg zonlicht om met zonnecellen alle elektriciteit op te wekken die nodig is. Een Nederlands huis waarbij op het dak ca. 25 vierkante meter zonnepanelen zijn aangebracht wekt per jaar 2000-2250 kWh op. Dat is bijna gelijk aan het elektriciteitsgebruik van een gezin in een jaar. Wanneer de door de zon opgewekte elektriciteit niet direct in het huis gebruikt wordt gaat de stroom niet verloren maar wordt ze in het elektriciteitsnet gevoerd. Dit heet dan ook een netgekoppeld systeem. Naast de toepassing op huizen worden zonnestroomsystemen ook geïnstalleerd op grote gebouwen en geluidswallen. Autonome systemen, waarbij een accu gebruikt wordt voor de tijdelijke opslag van de stroom, worden vooral toegepast op plaatsen waar geen elektriciteitsnet aanwezig is, zoals bij drinkbakken voor het vee, verlichtingsmasten buiten de stad, vakantiehuisjes en boten. De maatschappelijke voordelen van zonnestroom zijn groot. Het is een schone technologie waarmee zonlicht geluidloos, zonder bewegende delen en zonder milieubelasting, in elektriciteit wordt omgezet. Zonnecellen blijven jaar in jaar uit stroom leveren. Een groeiend gebruik van zonnecellen betekent minder afhankelijkheid van olie en gas en dus ook minder uitstoot van verbrandingsgassen. In de Derde Wereld is zonnestroom vaak de enige praktische mogelijkheid om huishoudens, scholen en medische hulpposten van elektriciteit te voorzien. Een groot aantal zonnecellen samen vormen een zonnepaneel. Een netgekoppeld zonnestroomsysteem op het dak van een huis bevat naast een zonnepaneel een omvormer, bekabeling en een bevesti34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
176–4
Zonnecellen
gingssysteem. De omvormer zet de gelijkstroom, die in het zonnepaneel wordt opgewekt, om in wisselstroom. Al deze componenten zijn belangrijk voor de opwekking van zonnestroom. In dit artikel wordt alleen ingegaan op de zonnecellen, het „hart” van een zonnestroomsysteem. De werking van kristallijn silicium, amorf silicium en organische zonnecellen wordt uitgebreid besproken. Voor de volledigheid wordt kort ingegaan op een aantal andere zonnecellen. Tot slot worden de milieuaspecten van zonnecellen beschreven. 2.
Kristallijn silicium zonnecellen
Sinds de onderzoekers Daryl Chapin, Calvin Fuller en Gerald Pearson van AT&T Bell Laboratories in 1954 de eerste zonnecel van kristallijn silicium maakten is deze technologie uitgegroeid tot de ster van de fotovoltaïsche industrie. In 1998 bestond zo’n 85% van de wereld zonnecelproductie uit kristallijn silicium zonnecellen. Een kristallijn silicium zonnecel bestaat uit een plak silicium (wafer) van ongeveer 0,35 millimeter dikte. De grondstof hiervoor is siliciumoxide (SiO2, zand), dat in onbeperkte hoeveelheden op aarde beschikbaar is. Door kwartszand en koolstof bij ca. 1800 °C te verwarmen wordt ruw silicium gevormd. Dit is 98% zuiver silicium. Het is niet eenvoudig om dit materiaal te zuiveren tot de vereiste 99,9999% zuiverheid. De meest gebruikte zuiveringsroute is het omzetten van het silicium met behulp van zoutzuur (HCl) in trichloorsilaan (SiHCl3). Dit is een vloeistof met een kookpunt van 32 °C die relatief eenvoudig door middel van destillatie gezuiverd kan worden. Het zuivere trichloorsilaan wordt weer omgezet in silicium dat dan de vereiste zuiverheid heeft. Dit silicium is zuiver genoeg om gebruikt te worden als grondstof voor silicium plakken voor de productie van chips. De zonnecelindustrie maakt op haar beurt weer gebruik van „afval” uit de chipindustrie dat opnieuw gesmolten en gekristalliseerd wordt. Afhankelijk van de wijze van kristalliseren worden monokristallijne of multikristallijne wafers gemaakt. Multikristallijn silicium is duidelijk herkenbaar aan de karakteristieke blauwtinten. Elk van de verschillende blauwtinten op de silicium wafer is een gebiedje monokristallijn materiaal, vandaar de aanduiding multikristallijn. 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
176–5 0886-0265
Figuur 1.
Kristallijn silicium zonnecel (bron TUD).
In figuur 1 is de werking van een kristallijne zonnecel weergegeven. De zonnecel bestaat uit een plak silicium, het halfgeleidermateriaal, met daarop metalen contacten. De contacten aan de voorzijde bestaan uit dunne zilverbevattende banen, aan de achterzijde is een geleidende laag aluminium aangebracht. Als er licht op de zonnecel valt wordt een deel van de fotonen geabsorbeerd. Een foton kan zijn energie overdragen aan een elektron. Hierbij wordt een elektron naar een hogere energietoestand gebracht. Het negatief geladen elektron laat een positief geladen lege plaats achter, een gat. Dit zogenaamde elektron-gat paar is neutraal en kan pas stroom leveren als het elektron en het gat gescheiden worden. In de zonnecel gebeurt dat in een kunstmatig aangebrachte p/n overgang. Aan de voorzijde is een gedoseerde verontreiniging fosfor aangebracht. De fosforatomen hebben één elektron meer dan silicium. Deze laag is de n+-type emitter. De rest van het silicium is p-type en 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
176–6
Zonnecellen
bevat borium dat een elektron minder heeft dan silicium. Op de grens van deze lagen bevindt zich de p/n overgang. Aan deze p/n overgang ontstaat een elektrisch veld omdat in de nabijheid van de p/n overgang een overschot elektronen in het p-gebied gaat zitten en een overschot gaten in het n-gebied gaat zitten. De elektron-gat paren die gevormd worden in de zonnecel worden door dit elektrische veld gescheiden. De elektronen kunnen de zonnecel verlaten door de metaalcontacten aan de voorzijde. De gaten worden aan de achterzijde verzameld. Door de contacten aan de voorzijde, de min, met de aluminium achterzijde, de plus, te verbinden gaat er een elektrische stroom lopen. Het rendement is het percentage van de zonne-energie dat in elektriciteit wordt omgezet. Het maximaal haalbare rendement voor kristallijn silicium zonnecellen ligt op ongeveer 30%. Alleen de fotonen met een energie van minstens 1,1 elektron Volt (zie ook figuur 3), dit is de bandafstand van kristallijn silicium, worden geabsorbeerd en vormen een elektron-gat paar. Fotonen met minder energie dan 1,1 eV worden niet geabsorbeerd en van de fotonen die meer energie hebben dan nodig om één elektron-gat paar te vormen, wordt het overschot aan energie in warmte omgezet. Dit betekent dat al ongeveer 50% van het zonlicht niet in elektriciteit wordt omgezet omdat de fotonen teveel of te weinig energie hebben. Verdere verliezen treden op door recombinatie: wanneer elektronen en gaten elkaar tegenkomen voordat ze de zonnecel verlaten hebben gaat de energie verloren in warmte. Dit is afhankelijk van de kwaliteit van het silicium omdat recombinatie vooral plaatsvindt op plaatsen waar zich „fouten” bevinden in het silicium kristalrooster. De hoogste rendementen zijn bereikt met monokristallijn silicium. Het wereldrecord, bijna 25%, is in handen van de groep van Martin Green in Australië. Dit is in een laboratorium gehaald met behulp van zeer geavanceerde technieken. De rendementen van commercieel geproduceerde multikristallijn silicium zonnecellen liggen op 13-15%. Belangrijke onderzoeksthema’s op dit moment zijn verhoging van het rendement: – door het versmallen van de metaalcontacten aan de voorzijde van de zonnecel kan het lichtontvangende oppervlak vergroot worden. 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
– –
176–7
door het zonneceloppervlak ruw te maken kan de reflectie van het zonlicht worden verminderd. er moet zoveel mogelijk worden voorkomen dat de ontstane elektronen en gaten weer recombineren. Daarvoor worden de recombinatiecentra (de plaatsen waar gaten en elektronen elkaar gemakkelijk kunnen vinden, meestal „fouten” in het kristalrooster) zoveel mogelijk onschadelijk gemaakt. Dit noemt men passiveren, hierbij worden moleculen zoals waterstof (H) in het silicium kristalrooster gebracht die de open plaatsen in het kristalrooster bezetten waardoor de fouten „gerepareerd” worden.
De prijs van een kilowattuur stroom uit zonnepanelen is meer dan een gulden, terwijl de elektriciteitsprijs voor consumenten ongeveer 25 cent/kWh is. Verlaging van de prijs van zonnestroom zal voornamelijk gerealiseerd worden door automatisering en opschaling van de huidige relatief kleinschalige productielijnen. Daarnaast wordt veel onderzoek gedaan naar de productie van „zonnecelkwaliteit” silicium dat voor zonnecellen iets minder zuiver hoeft te zijn dan het (dure) silicium voor de chipindustrie. 3.
Amorf silicium zonnecellen
Amorf silicium zonnecellen zijn de enige zonnecellen die naast de kristallijne variant een rol van betekenis spelen op de huidige markt voor fotovoltaïsche elektriciteitsopwekking. Het is een dunne-film zonnecel. Dunne lagen voldoen, omdat amorf silicium het zonlicht honderd keer beter absorbeert dan kristallijn silicium. Terwijl een kristallijne siliciumcel 0,1 tot 0,3 millimeter dik moet zijn is 0,3 tot 0,5 micrometer voor amorf silicium voldoende. Amorf silicium wordt bij een relatief lage temperatuur van circa 200 °C geproduceerd, tegenover 1000 °C voor kristallijn silicium. De siliciumatomen krijgen bij die lage vormingstemperatuur niet de kans om zich in een kristallijne vorm (de energetisch meest gunstige toestand) te rangschikken. Amorf silicium heeft zeer kleine afwijkingen in het kristalrooster, niet alle siliciumatomen hebben vier buuratomen en in bindingslengtes en bindingshoeken zitten kleine verschillen. De 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
176–8
Zonnecellen
diffusielengte van de ladingsdragers is door die vele onregelmatigheden veel kleiner dan in kristallijn silicium. Het rendement van commerciële amorf silicium zonnepanelen, tussen 4 en 8%, is dan ook lager dan bij kristallijn silicium. 0886-0266
Figuur 2.
Amorf silicium zonnecel (bron TUD).
In figuur 2 is de opbouw van een amorf silicium zonnecel te zien. De zonnecel is opgebouwd uit meerdere lagen. In de middelste laag (intrinsiek a-Si), die silicium- en waterstofatomen bevat, wordt het zonlicht geabsorbeerd en worden de elektronen en gaten gegenereerd. Aan beide zijden bevinden zich de gedoteerde lagen, de n- en p-laag, die net als bij kristallijn silicium gevormd worden door dosering van respectievelijk fosfor en borium. Deze gedoteerde lagen zorgen voor een sterk intern elektrisch veld over de intrinsieke laag amorf silicium. Dit is de drijvende kracht voor de snelle afvoer van 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
176–9
de fotogegenereerde ladingen. Het zonlicht moet zoveel mogelijk de middelste laag bereiken. Om lichtabsorptie in de bovenste p-laag zoveel mogelijk tegen te gaan worden daar koolstofatomen ingebouwd. Koolstof verhoogt de bandafstand van het silicium waardoor de laag transparant wordt voor het grootste deel van het zonlichtspectrum (zie ook figuur 3: alle licht met een energie kleiner dan de bandafstand van het materiaal wordt niet geabsorbeerd). De gebruikelijke commerciële cellen worden op glas aangebracht. Het voorcontact is een transparant geleidend tinoxide dat de gaten (positieve ladingen) afvoert. Op het zilver of zilver-aluminium achtercontact bevordert een transparante laag indiumtin- of zinkoxide de spiegelende werking van het metaal waardoor het niet-geabsorbeerde licht goed reflecteert, terug de cel in. Het silicium in de lagen is verzadigd met ongeveer 10% waterstof, vandaar de schrijfwijze a-Si:H. Amorf silicium wordt aangebracht door chemische dampdepositie met behulp van een plasma (PECVD, plasma enhanced chemical vapour deposition). Hierbij wordt silaangas (SiH4), meestal verdund met waterstof, onder invloed van een snel wisselend elektrisch veld gedissocieerd in een vacuümreactor. Er vormt zich een plasma van ionen, radicalen en elektronen. Met een snelheid van 0,1 tot 0,5 nanometer per seconde vormen zich de 0,3 micrometer dikke amorf silicium lagen. Het verhogen van de groeisnelheid terwijl de goede materiaalkwaliteit gehandhaafd blijft is dan ook een belangrijk onderzoeksthema. Eén van de kenmerken van amorf silicium is dat het materiaal slechter wordt onder invloed van licht. Hierdoor daalt het rendement van ongeveer 6% direct na productie tot zo’n 4% na een aantal weken belichting. Op dit niveau stabiliseert het materiaal van de zonnecel zich en het rendement blijft daarna jarenlang constant. Er wordt bij amorf silicium dan ook onderscheid gemaakt tussen initieel en gestabiliseerd rendement. Een veel toegepaste variant op de in figuur 2 weergegeven amorf silicium zonnecel is de stapel- of tandemcel. Twee zonnecellen worden op elkaar gestapeld. Een tandemcel heeft minder last van degradatie en het rendement is hoger dan van een enkele amorf silicium zonnecel. Door lagen met verschillende bandafstanden op el34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Startpagina
176–10
Zonnecellen
kaar te stapelen kan een groter deel van het zonnespectrum geabsorbeerd en in elektriciteit omgezet worden. In figuur 3 zijn de absorptiebanden te zien voor een tandemcel waarvan de bovenste cel amorf silicium bevat terwijl de onderste een silicium-germanium laag heeft. De a-Si:H cel heeft een bandafstand van 1,8 eV en absorbeert het licht met een golflengte onder 680 nanometer. Deze laag is transparant voor licht met een langere golflengte. Licht met een golflengte van meer dan 680 nanometer passeert de a-Si:H topcel ongehinderd en kan geabsorbeerd worden in de a-SiGe:H laag, die licht tot 1,45 eV (in het rode en infrarode spectrum, 680 nm tot 850 nm) absorbeert. Door combinatie van materialen met twee verschillende energiebanden (1,8 eV en 1,45 eV) worden er dus meer fotonen ingevangen. 0886-0267
Foton energie [eV] 4,13 Instraling [1027 ph / m3 s]
Inhoud
2,48
1,77
1,38
1,13
0,95
0,83
900 Golflengte [nM]
1100
1300
1500
5.0 4.0 3.0 2.0 a-Si
1.0 0.0 300
500
a-SiGe
700
Figuur 3. Absorptie banden van amorf silicium en silicium-germanium (bron TUD).
Er zijn ook al drievoudige zonnecellen gemaakt die „triple junction” cellen genoemd worden. In het laboratorium op een klein oppervlak zijn hiermee rendementen gehaald van ruim 15%. De commerciële triple junction cellen hebben een gestabiliseerd rendement van 8%. Deze zonnecellen worden niet meer zoals in figuur 2 op glas gemaakt maar ze worden aangebracht op een metaalband. Een van de grote voordelen hierbij is dat de amorf silicium cellen in een continu roll-to-roll productieproces gemaakt kunnen worden. De zonnecellen worden afgedekt met een transparante kunststof en zijn flexibel 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
176–11
en licht van gewicht. De verwachting is dat door verdere ontwikkelingen op het gebied van roll-to-roll productie en verbeterde rendementen de amorf silicium zonnecellen zeer goedkope zonnestroom kunnen genereren. 4.
Organische zonnecellen
Voor de lange termijn wordt veel verwacht van zonnecellen op basis van organische materialen. De grote vrijheidsgraad in keuze van organische moleculen, geleidende polymeren en combinaties met anorganische halfgeleiders maakt deze zonnecel aantrekkelijk. De natuur is de grote inspiratiebron voor organische zonnecellen. De werking van deze zonnecellen is „afgekeken” van de fotosynthese in groene plantendelen. Fotonen worden geabsorbeerd door kleurstoffen. De opgenomen energie wordt door planten omgezet in biomassa. In organische zonnecellen bereiken kleurstofmoleculen die het zonlicht absorberen een hoger energieniveau. Deze aangeslagen moleculen kunnen een elektron overdragen aan een halfgeleider. De zonnecellen van de Zwitser Michael Grätzel danken hun werking aan de combinatie van een kleurstof en de halfgeleider titaandioxide (zie figuur 4). De ruthenium-bipyridyl kleurstof, de „dye”, is via een carboxylaatgroep verbonden met het titaandioxide-oppervlak. Een geabsorbeerd foton kan dit molecuul in een aangeslagen toestand brengen. Deze aangeslagen toestand is een zogenaamde charge transfer toestand waarbij een elektron gedeeltelijk van het centrale Ru2+ naar een van de bipyridylgroepen overgaat en vervolgens afgestaan wordt aan het titaandioxide. Dit is een snel en onomkeerbaar proces. Door elektron-injectie in het titaandioxide raakt het ruthenium-complex een elektron kwijt. Om de elektronenkringloop in stand te houden moet deze lading weer worden aangevuld. Voor het elektronentransport tussen tegenelektrode en kleurstof koos Grätzel een elektrolytvloeistof met een redoxkoppel op basis van jodides (I-/I3-). Jodide-ionen (I-) transporteren daarbij indirect elektronen naar de ruthenium-complexen. Om voldoende lichtabsorptie te krijgen is het titaandioxide-oppervlak met de monolaag kleurstof sterk vergroot. Wanneer de TiO2-film vlak zou 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
176–12
Zonnecellen 0886-0268
Figuur 4.
De Grätzel zonnecel (bron ECN).
zijn, dan zou een enkele laag materiaal slechts een klein deel van het licht absorberen. Het TiO2 is poreus nanogestructureerd materiaal. De nanostructuur vergroot het oppervlak tweehonderd tot duizend maal, waardoor de lichtabsorptie aanzienlijk toeneemt. De Engelse benaming voor de Grätzel cel is dan ook „nano-crystalline dye-sensitized solar cell” (nc-DSC). De Grätzel cel lijkt het laboratoriumstadium ontgroeid maar er zijn nog geen commerciële toepassingen bekend. Als hoogste rendement wordt 12% genoemd. Op proefproductieschaal worden reproduceerbaar cellen met een rendement van 6-7% gemaakt. De verwachting is dat ze op korte termijn in consumentenproducten toegepast zullen gaan worden. De Grätzelcel bevat een vloeistof, het elektrolyt, wat als een nadeel kan worden beschouwd. Veel onderzoek wordt gedaan aan organische zonnecellen die geen vloeibare componenten bevatten. In Nederland wordt gewerkt aan de Antenne zonnecel. In plaats van een 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
176–13
monolaag kleurstof op een nanostructuur, zoals bij Grätzel, wordt de lichtabsorptie verhoogd door een kleurstofantenne aan te brengen die de optische energie volledig kan absorberen. Deze laag is aangebracht op een vlakke titaandioxidefilm. Voor deze optische antennelaag worden chromoforen gebruikt, platte moleculen zoals ftalocyanine en porfyrine, die lijken op het metaalcomplex chlorofyl dat in bladeren verantwoordelijk is voor de absorptie van licht. Deze organische structuur moet dik genoeg zijn om de optische energie te absorberen, maar tegelijkertijd moet de laag de opgenomen energie transporteren. Een stapeling van honderden chromoforen moet het exciton (een aangeslagen toestand of elektron-gat paar) doorgeven tot aan een donor/acceptorlaag, waar het elektron en het gat door een elektrisch veld gescheiden worden. Het elektron kan dan in de titaandioxide worden geïnjecteerd, terwijl het gat naar de tegenelektrode wordt getransporteerd. 0886-0269
Figuur 5.
34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
De Antenne zonnecel (bron WU).
tekst/176
Startpagina
176–14
Zonnecellen
Hoofdzaak is een zeer geordende antennelaag. Ftalocyanines (zie figuur 5) en porfyrines zijn platte moleculen die van zichzelf al de neiging hebben om zich als borden te stapelen. Het effect is echter te vergroten met speciale zijgroepen waardoor ze vloeibaar kristallijne eigenschappen krijgen. Daarbij rijgen de kleurstof-bouwstenen zich spontaan aaneen in de vloeistoffase. Eventueel is een polymerisatie stap mogelijk om de structuur te „bevriezen”. De ordening is van groot belang in deze zonnecel om de excitatie energie snel door te geven. Het fotovoltaïsch effect in een antennestructuur is al wel aangetoond, maar het onderzoek bevindt zich nog in een fundamenteel stadium. Een andere veelbelovende organische zonnecel die geheel gebaseerd is op organische materialen, en daarom wel de „plastic zonnecel” genoemd wordt, bevat een mengsel van geleidende polymeren en fullerenen. Fullerenen, ook wel aangeduid als „bucky balls”, zijn C60-kooistructuren (zie figuur 6). De Engelse benaming voor deze cellen is CPC, conjugated polymer C60. 0886-0270
n
Inhoud
Licht RO
OR
Electrode 1
Electrode2 RO
OR
h+
eRO
RO
Figuur 6.
e-
OR
OR
De geleidend-polymeer buckybal zonnecel (bron RUG).
34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
176–15
Fullereen-zonnecellen bestaan uit een matrix van fullereen-derivaten en geleidende polymeren. Beide materialen mengen „slecht”. Bij samenvoegen ontstaat spontaan een composietmateriaal met twee vervlochten netwerken. Zowel het fullereennetwerk als de polymeermatrix geleiden stroom. Dit is mogelijk door de dubbele koolstofbindingen die in beide structuren aanwezig zijn. In het composietmateriaal van deze zonnecel heeft het geleidende polymeer de taak om het licht te absorberen en bovendien de excitonen (elektron-gat paren) en de na ladingsscheiding ontstane gaten te transporteren. De aangeslagen toestand, het exciton, moet zich door het polymeernetwerk kunnen bewegen tot het in aanraking komt met het fullereennetwerk. Is dit het geval dan draagt het polymeer een elektron over aan de fullerenen. Na deze ladingsscheiding moeten de elektronen en de gaten afgevoerd worden naar de elektrodes. De elektronen worden getransporteerd door het fullereennetwerk en de positieve gaten via de geleidende polymeren. De drijvende kracht achter dit ladingstransport is de aanwezigheid van een elektrisch veld. Dat veld ontstaat door het aanbrengen van twee verschillende lagen metalen aan beide kanten van de zonnecel. In een van de eerste werkende zonnecellen zijn aluminium en het transparant geleidend oxide indiumtinoxide gebruikt. Het onderzoek naar deze zonnecel bevindt zich nog in het laboratoriumstadium hoewel er al grote aantallen werkende zonnecellen gemaakt zijn. 5.
Overige dunne-film zonnecellen
Dunne-film kristallijn silicium is in feite een dunne versie van de huidige kristallijn silicium zonnecel. De werking en opbouw is dan ook identiek aan die van de cel in figuur 1. Het verschil is dat er geen zelfdragende wafer van meer dan 0,3 millimeter gebruikt wordt maar dat een kristallijne laag van 20 tot 50 micrometer zich bevindt op een ander substraat. Dit kan bijvoorbeeld glas of keramiek zijn. Er zijn diverse mogelijkheden voor de fabricage van de lagen zoals groeien vanuit de gasfase of depositie vanuit een silicium smelt. Het op deze wijze verkregen silicium wordt wel polykristallijn silicium genoemd. De gemiddelde kristalgrootte is kleiner dan bij multikristallijn silicium. Om ervoor te zorgen dat in de dunne laag polykris34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
176–16
Zonnecellen
tallijn filmsilicium toch voldoende licht geabsorbeerd wordt, moet het oppervlak van de zonnecel ruw gemaakt worden. De inschatting is dat de rendementen van deze zonnecellen op hetzelfde niveau zullen komen als die van multikristallijn silicium zonnecellen. Een variant op polykristallijn filmsilicium, met een vergelijkbare laagdikte als amorf silicium, is microkristallijn silicium. De kristallen hierbij zijn kleiner dan 100 nanometer. Het materiaal kan verkregen worden met dezelfde depositie technieken als amorf silicium. Het materiaal verkeerd nog in de laboratorium fase. Het heeft een nog kleinere bandafstand dan silicium-germanium (zie figuur 3) en lijkt haar eerste toepassing te vinden als bodemcel in een amorf silicium tandemcel. 0886-0271
Figuur 7.
Polykristallijn filmsilicium zonnecel (bron ECN).
Bij de CIS zonnecel vormt polykristallijn koper-indium-selenium (CuInSe2) van slechts 1 tot 3 micrometer dikte de actieve laag. Een voordeel van deze zonnecel is dat de bandafstand van de zonnecel ingesteld kan worden door gallium en zwavel toe te voegen. Dit wordt meestal weergegeven door Cu(In,Ga)(Se,S)2. De eerste commerciële CIS zonnepanelen die recent op de markt zijn gekomen hebben een rendement van 10%. Als nadeel van deze zonnecellen kan genoemd worden dat gebruik gemaakt wordt van indium waarvan de wereldvoorraad beperkt is. 34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
176–17
Een andere polykristallijne zonnecel bestaat uit cadmiumtelluride (CdTe). Dit materiaal heeft een goede bandafstand voor zonnecellen en de gevonden rendementen van eenvoudige cellen zijn dan ook ruim 15%. Ondanks het feit dat de materiaaleigenschappen uitermate geschikt zijn voor zonnecellen komt de opschaling maar moeizaam van de grond. Op basis van de wettelijke maatregelen om het cadmium gebruik terug te dringen en de slechte maatschappelijke acceptatie van cadmium-bevattende producten lijken CdTe zonnecellen geen aantrekkelijke optie voor de opwekking van zonnestroom. 6.
Milieuaspecten van zonnecellen
Bij de productie van zonnecellen zijn een aantal milieuproblemen aan te geven. Bij het reinigen van apparatuur worden soms schadelijke gassen (SF6) gebruikt. De benodigde hoeveelheden worden in gesloten systemen toegepast en er wordt naar alternatieven gezocht. Bij het onderling verbinden van de cellen worden vaak loodhoudende soldeerpasta’s gebruikt. Er wordt gewerkt aan loodvrije pasta’s. Het gebruik van schaarse en zware metalen, onder andere het zilver in de metalen contacten, wordt voornamelijk uit kostenoverwegingen zoveel mogelijk teruggebracht. Zaken waar hier verder op ingegaan wordt zijn de energie-investering bij de productie van de systemen en de recycling van de componenten. De fabricage van kristallijn silicium zonnecellen kost energie. We spreken hierbij van een energie-investering. Uiteindelijk produceren de zonnecellen elektriciteit. Een veel gebruikte maatstaf is de energie-terugverdientijd. Dit is de tijd die het kost voordat de zonnecellen net zoveel elektriciteit hebben geproduceerd als bij de fabricage van die zonnecellen gebruikt is. Een systeem met kristallijn silicium zonnecellen op een dak in Nederland heeft momenteel vijf tot zeven jaar nodig om evenveel energie uit zonlicht op te wekken als voor het maken van de panelen, omvormers en draagconstructie nodig is geweest. Met een energie-terugverdientijd van 5 jaar, en een verwachte levensduur van 20 tot 30 jaar verdient een zonnesysteem toch 4 tot 6 keer zijn energie-investering terug. Bij de fabricage van dunne-filmcellen zoals van amorf-silicium wordt min34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
176–18
Zonnecellen
der energie gebruikt, maar daar staat weer een lager rendement tegenover. De energie-terugverdientijd van amorf silicium cellen is daardoor vergelijkbaar met die van kristallijn silicium. Een van de grootste bijdragen aan het energieverbruik bij kristallijne zonnecellen zit in de productie van het hoogzuivere silicium voor de chipindustrie. Wanneer de fotovoltaïsche industrie overstapt op toegespitste processen voor het maken van pv-kwaliteit silicium zal de energiebehoefte aanzienlijk dalen. Hierdoor en door verbetering van het celrendement kan de terugverdientijd voor netgekoppelde kristallijn silicium zonnestroomsystemen dalen tot 2 à 3 jaar. Dit alles geldt voor de Nederlandse situatie met een instraling van 1000 kWh/m2. In Noord-Afrika, met een instraling van 2000 kWh/ m2 is de energie-terugverdientijd een factor twee korter. Bij de recycling van kristallijn silicium zonnecellen gaat het om aanzienlijke hoeveelheden zuiver silicium. Het is daarom – ook uit kostenoogpunt – interessant om silicium wafers schoon te maken en opnieuw te verwerken tot zonnecellen. Hiermee is nog weinig ervaring, onder meer vanwege de lange levensduur van kristallijn silicium cellen. Bij de recycling gaat het niet alleen om de fotovoltaïsche cellen zelf. Om de cellen gedurende 20 tot 30 jaar in buitencondities te laten functioneren moeten ze goed worden ingepakt. Hiervoor worden grote hoeveelheden glas en/of kunststof gebruikt. Ook in de ondersteuningsconstructies en bekabeling zit veel materiaal. Het materiaalgebruik bij gebouw-geïntegreerde systemen is wel aanzienlijk lager dan bij systemen die op de grond geplaatst zijn op ondersteuningsconstructies. Vanuit milieuoogpunt is het streven naar hoge rendementen en een lange levensduur belangrijk. Met lagere rendementen heb je meer oppervlak nodig dus ook meer materiaal. Op basis van de ontwikkelingen op het gebied van daling van de energie-investering en van de prijs zullen zonnestroomsystemen op de lange termijn een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de reductie van de CO2-emissie. De pv technologie draagt grote beloftes in zich mee voor duurzame en dus milieuvriendelijke energie-opwekking.
34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
Inhoud
Startpagina
Zonnecellen
7.
176–19
Literatuur
Met dank aan René Raaijmakers, Barth Harmsen, Technische Universiteit Delft, Energieonderzoek Centrum Nederland, Wageningen Universiteit en Rijksuniversiteit Groningen. – Electriciteit uit zonlicht, 1995, Novem rapport DV1.41.95.04, tel. 046-420 22 50. – Südhölter, E. J. R., „Organische Zonnecellen”, Natuur en Techniek, jaargang 65, 1997, nummer 10, pag. 69-77. – Zonnecelonderzoek in Nederland, 1999, Novem rapport DV 1.1.137.99.06. – Schropp, R. E. I., „Zonnecellen, nu gaat het op rolletjes”, Mens en Wetenschap, jaargang 24, juni 1997, nummer 4, pag. 266270. – Roosmalen van, J. A. M., Thin-film solar cells, 1995, ECN rapport C-95-107, tel. (0224) 56 49 49.
34 Chemische feitelijkheden
juni 2000
tekst/176
