Rendabele zonnecellen maken met dunne-film techniek Winter 2009-2010: voor het eerst in jaren sneeuwt het flink in Nederland. We praten over superrendabele zonnecellen met Gertjan Bögels en John Schermer van de Radboud Universiteit Nijmegen, terwijl buiten de universiteitsgebouwen in rap tempo wit worden. ‘Onze cellen liggen niet op daken, dus van die sneeuw hebben ze geen last,’ zegt Gertjan Bögels, business developer. We hebben het dus niet over “gewone” zonnecellen die op huizen geplaatst worden, maar over superlichte cellen met hoge opbrengst. De techniek voor het maken daarvan is door de groep van John Schermer ontwikkeld op een STW-project, en hij gaat de cellen samen met het Britse bedrijf Circadian Solar maken. Hij merkt op, terwijl het buiten steeds harder gaat sneeuwen: ‘Bij zulk gedempt licht als vandaag hebben de meeste zonnecellen trouwens nauwelijks enige opbrengst.’ III-V-zonnecel wereldrecordhouder efficiëntie De groep van John Schermer van het Institute for Molecules and Materials (IMM) is houder van het wereldrecord van de efficiëntste dunne-film zonnecel. Deze III-V cellen zetten 26 procent van het zonlicht om in elektriciteit. De techniek komt erop neer dat een dunne film gemaakt wordt van III-V halfgeleiders: verbindingen tussen elementen uit de derde en de vijfde groep van het Periodiek Systeem. Voor het verwerken van deze materialen zijn kostbare halfgeleider wafers van galliumarsenide (GaAs) of germanium (Ge) nodig, waardoor de cellen tot dusver vooral worden toegepast in de ruimtevaart. Aan de Radboud Universiteit is nu een techniek ontwikkeld waarmee de III-V zonnecel nadat deze laag voor laag is opgebouwd (het epitaxieproces), in zijn geheel van de wafer wordt ‘gelift’ en op een metaalfolie wordt overgezet. De kostbare wafer wordt daarna hergebruikt. In figuur 1 is dit zogenaamde epitaxiaal lift-off (ELO) proces weergegeven.
Figuur 1. Schematische weergave van het Epitaxiaal Lift-Off (ELO) proces. Op een wafer van GaAs of Ge worden een celstructuur en een scheidingslaagje aangebracht. Daarna wordt er aan de bovenzijde een metaalfolie op neergelegd en het geheel wordt met behulp van een etsproces van de wafer losgetrokken. De wafer wordt vervolgens hergebruikt voor de productie van de volgende dunnefilm cel.
Hoe begon het? Schermer: ‘In 1978 al. Een onderzoeksgroep in Japan slaagde erin een dunne laag GaAs van een substraat te pellen; alleen, dat ging veel te langzaam omdat ze de verkeerde scheidingslaag gebruikten. In 1995 hebben wij dit idee opnieuw opgepakt en hebben daarbij het ELO-proces is in de loop van de jaren sterk verbeterd. Wij ‘liften’ door een druppel etsvloeistof aan te brengen op de kopse kant van de lagenstructuur. Daarin lost alleen de scheidingslaag tussen de wafer en de zonnecel op. Het losgekomen deel van de lagenstructuur wordt langzaam weggebogen waardoor de druppel etsvloeistof steeds met een nieuw stukje van de scheidingslaag in contact komt. De etsvloeistof ‘vreet’ zich als het ware met een snelheid van 35 mm per uur door de scheidingslaag heen totdat de hele lagenstructuur los is van de wafer. Met een STW-subsidie in 2001 konden we het onderzoek concentreren op twee lijnen: het ELO-proces ontwikkelen en een tandemzonnecel maken. Na basisonderzoek aan het etsproces van de scheidingslaag konden we de snelheid van dit proces opvoeren van 1 naar circa 35 mm per uur. Daarna konden we demonstreren dat we in plaats van op kleine samples het proces ook op hele wafers tot 4 inch in diameter konden toepassen. Met de gegenereerde kennis vroegen we subsidie voor een tweede project aan, die we ook kregen.’
Figuur 2. Door tf2 devices gerealiseerde 4 inch folie met dunne-film zonnecellen voor lichtconcentratie systemen.
Ging dat goed? Fronsend: ‘Dat project verloopt ook zeer succesvol. We hebben dunne-film GaAs zonnecellen met een wereldrecordrendement van 26,1% gerealiseerd. Dat is een evenaring van het eveneens door Radboud gevestigde wereldrecord voor GaAscellen op een wafer, waaruit blijkt dat het etsproces op geen enkele wijze afbreuk doet aan de kwaliteit van de zonnecel. Toen kwam Circadian Solar in beeld? Schermer: ‘Eerst was er nog een groep Amerikanen die een exclusieve wereldwijde licentie op ons proces wilden hebben, maar dat contact verliep erg moeizaam. Kort daarop werd ik gebeld door Robin Godfrey de CEO van Circadian Solar en dat klikte
direct. Ik heb hem nog gevraagd waarom hij niet naar het Fraunhofer institut in Freiburg was gegaan. Een groot instituut en verder dan wij als het gaat om Multijunctie zonnecellen. Maar Concentrix, een spin-off van Fraunhofer, bleek een directe concurrent van Circadian Solar en onze kleine groep werd toch als second best in Europa beschouwd. Bovendien beschikten wij als enige over een uitvoerbaar ELOproces. Als je dat hoort, zit je toch een stukje rechter op je fiets als je naar huis gaat.’ Hoe kijkt Gertjan Bögels daarop terug? Bögels, puttend uit zijn geheugen: ‘De samenwerking ging van start met drie partijen: de Radboud Universiteit, STW en Circadian Solar. Daarvan brachten de Radboud Universiteit en STW het grootste gedeelte van de kennis in, en Circadian Solar zorgde voor benodigde middelen en bracht ook haar gedeelte van de kennis in. Ondanks dat er drie partijen om de tafel zaten en de contracten redelijk complex waren was er snel overeenstemming. Belangrijk daarbij was dat iedere partij de inbreng van kennis of middelen door de andere partij goed op waarde kon schatten en het belang daarvan inzag. Zo ontstond een joint venture met het Britse bedrijf Circadian Solar, specialist in zonnecellen met gebruik van geconcentreerd licht, en daarmee ontwikkelen we deze techniek verder. Het is voor het eerst dat de Radboud Universiteit en STW kiezen voor de constructie van een joint venture voor een spinoff. De naam van het bedrijf is ‘tf2 devices’ dit staat voor thin-film three-five devices. Schermer: ‘Er was wederzijds duidelijk vertrouwen. En het zijn capabele mensen bij Circadian Solar – ze sturen mensen die iets kunnen. Ze lieten hun eigen platform vallen om de samenwerking op te zetten.’ Bögels over Schermer: ‘Hij heeft de contracten ook echt gelezen. Dat is uniek voor een onderzoeker. Hij is een wetenschapper met een scherp oog voor valorisatie.’ Wat brengt de toekomst? Schermer: ‘We hebben dunne-film GaAs-zonnecellen voor toepassing in een concentratorsysteem ontwikkeld (zie figuur 2). Nu gaan we naar een dunne-film tandem- en triplejunctiecel. Daarna neemt tf2 devices ze in productie. Naast toepassingen in concentratorsystemen zoals die van Circadian Solar, wil tf2 devices ook andere producenten van concentratorsystemen bedienen. Verder zijn deze lichtgewicht cellen bijzonder interessant voor ruimtevaarttoepassingen. Maar misschien ook voor een mobiele telefoon die zichzelf oplaadt terwijl hij op tafel onder een lamp ligt. Tenslotte, de mooie momenten van het onderzoek? Schermer, meteen: ‘Het mooiste moment van het onderzoek was het wereldrecord! Vooraf was dit geen doelstelling maar op een bepaald moment heb je alle schakels goed en weet je dat het erin zit om het record van 25,1% te breken. Als de cel dan gemeten wordt, is de hele groep nieuwsgierig naar het resultaat. Dan is het een mooi moment als er een I-V karakteristiek met een rendement van 26% op het beeldscherm verschijnt. Vervolgens moet je de cel voor een onafhankelijke meting nog opsturen naar één van de vijf wereldwijd erkende meetinstituten. Als daar vervolgens binnen ééntiende procent nauwkeurig hetzelfde wordt gemeten dan besef je pas dat we in het kader van de opeen volgende STW projecten ook een state-ofthe-art faciliteit voor de analyse van zonnecellen hebben opgebouwd.’ De analyse van zonnecellen is zelfs een kernexpertise van onze groep geworden. Niet alleen IIIV cellen maar ook cellen gebaseerd op andere materiaalsystemen zoals kristallijn en amorf silicium, CIGS, CdTe en organische materialen kunnen we zeer nauwkeurig
doormeten. Dit heeft recentelijk ook geleid tot de oprichting van ReRa solutions, een spin-off bedrijf vanuit de onderzoeksgroep. Dit bedrijf produceert software en apparatuur voor de analyse van zonnecellen en Radboud gecertificeerde referentiecellen.
Figuur 3. Individueel gemonteerde 4x5 mm dunne-film zonnecel voor integratie in een lichtconcentratie systeem.
Stand van zaken najaar 2011 De goede resultaten van de onderzoeksgroep leidden tot een Outdoor Calibration Facility (meet- en testfaciliteit op het dak van het onderzoeksgebouw). Hiermee is onderzoek ook in de buitenlucht bij veranderende weercondities mogelijk.
Figuur 4. Een zonvolg-opstelling met een module bestaande uit 12 lens-cel units van een lictconcentratiesysteem dat in de Outdoor Calibration Facility van de Radboud Universiteit wordt getest. In dezelfde opstelling wordt met verschillende instrumenten tevens continue het ingestraalde zonlicht gemeten.
Met de spin-off bedrijven is eveneens voortgang geboekt. Het wetenschappelijk onderzoek met Circadian Solar voor tf2 devices is afgerond. Nu wordt er met potentiële investeerders en regionale ontwikkelingsbedrijven gesproken over industrialisatie. De concurrent, Alta devices, heeft dit jaar in de VS meer dan 100 miljoen dollar aan venture capital opgehaald. De Radboud onderzoeksgroep vormt met regionale hightechbedrijven een consortium waarmee zij de eerste productieapparatuur voor de cellen willen gaan produceren. Het bedrijfsleven is nu
overtuigd dat dit een nieuwe, veelbelovende methode is voor de productie van hoogrendement dunne-film zonnecellen. Overigens is ELO een generiek toepasbare technologie waarmee een hele range van high-performance, dunne-film halfgeleider devices kan worden geproduceerd.
ReRa solutions is een heel ander soort bedrijf dan tf2 devices, en is van start gegaan zonder miljoeneninvesteringen. Gestart als een eenmanszaak en opererend vanaf de Universiteit Campus, is het bedrijf redelijk snel gegroeid. Het is nu gevestigd op het bedrijventerrein in Wijchen en heeft meerdere medewerkers in dienst. De apparatuur en referentiecellen worden wereldwijd verkocht aan zonnecelproducenten en PV onderzoeksgroepen. Voor verschillende klanten leveren ze oplossingen op maat.
