Dunne film zonnecellen (ook wel thin-film, zonnecellen) zijn een relatief nieuwe vinding, die in de toekomst mogelijk de vertrouwde zonnepanelen overbodig maken.
Dunne-film zonnecellen
Er wordt verwacht dat deze nieuwe technologie in 2010 verantwoordelijk zal zijn voor een wereldwijde productie van 3700 MW energie. Maar wat zijn dunne-film zonnecellen? Hoe worden ze gemaakt, hoe werken ze en zijn ze inderdaad dusdanig kosten-efficiënt dat het vertrouwde zonnepaneel alweer het museum in kan? Lees verder om meer te leren over deze veelzijdige nieuwe energiebron.
Wat is een dunne-film zonnecel?
Mocht je ooit een rekenmachine gebruikt hebben, dan weet je uit ervaring wat een dunne-film zonnecel is. Het celletje in de rekenmachine is niet groot en zeer dun. De geringe dikte is, zoals verwacht, de naamgevende eigenschap van deze zonnecel. Traditionele zonnecellen hebben een absorberende laag van zo’n 350 micrometer (een micrometer is een miljoenste meter) dik, terwijl deze laag bij dunne-film zonnecellen slechts één micrometer dik is. Er is dus relatief weinig halfgeleider-materiaal nodig in de productie van een dergelijke cel. Gevolg hiervan is dat zonnecellen gebaseerd op dunne-film technologie erg licht, buigzaam en goedkoop zijn.
Waaruit bestaat een dunne-film zonnecel?
Dunne-film zonnecellen zijn in de meeste gevallen gebaseerd op drie materialen. Hiervan is er één direct afgeleid van de bekende silicium zonnepanelen. Nieuwere en duurdere technologieën maken in plaats van silicium gebruik van zwaardere metalen als halfgeleider. Deze materialen, Cadmium Telluride (CdTe) en Koper Indium Gallium Selenide (CIGS) zijn efficiënter in het omzetten van zonlicht naar elektriciteit. Er zijn bedrijven die het CIGS-materiaal al hebben doorontwikkeld tot een soort inkt, die nanodeeltjes kleiner dan 100nm bevat. Een andere, zeer interessante en veelbelovende technologie is die van de organische zonnecellen.
Amorf silicium
De eerstgenoemde is een directe afgeleide van de gangbare silicium-technologie in ‘gewone’ zonnepanelen. Het silicium wordt in dit geval echter opgedampt en afgekoeld voordat het een kristalstructuur kan vormen. Het resultaat is een dunne, flexibele laag die vanwege het gebrek aan orde in de kristalstructuur niet breekbaar is (er is geen splijtingsvlak). Nadeel van deze technologie, is dat amorf silicium onder invloed van zonlicht zijn efficiëntie verliest. Dit kan deels gecompenseerd worden door de lagen nog dunner te maken, maar het probleem is dat hierdoor het absorptievermogen drastisch afneemt. Moderne technieken richten zich er dan ook op, om het licht als het ware in de cel ‘te vangen’. Als een lichtstraal een aantal malen heen-en-weer kaatst in een zonnecel, wordt hij logischerwijs voor een groter deel geabsorbeerd. Gemiddeld behalen deze cellen een rendement van zo’n 8 a 9%. Gezien de lagere productieprijs, zijn ze per wattpiek (ongeveer €3,50/Wp) goedkoper dan normale panelen.
Koper Indium Gallium Selenide (CIGS)
Er bestaan eigenlijk twee typen CIGS-zonnecellen; CIGS op glas of CIGS op folie. In geval van een glazen substraat wordt er een extra laagje molybdeen toegevoegd dat als elektrode fungeert. Wordt er een metaalfolie als substraat gebruikt, dan wordt deze direct als elektrode benut. Als andere elektrode wordt een laagje zinkoxide gebruikt. Tevens wordt een laagje Cadmium Sulfide toegevoegd om een N-P-grenslaag (zie halfgeleiders) te realiseren. Het uiteindelijke resultaat (voor een cel op folie) is een ‘sandwich’ van metaalfolie-CIGS-Cadmium Sulfide-Zinkoxide-transparante folie. CIGS cellen hebben in het laboratorium al een efficiëntie van rond de 20% bereikt. De techniek wordt tevens toegepast in de ruimtevaart en is (nog) relatief duur.
Cadmium Telluride
Cadmium Telluride wordt naast CIGS gebruikt in de nieuwere generatie dunne-film cellen. De structuur is vergelijkbaar met een CIGS-cel, alleen worden er andere materialen (Tin-oxide en koolstofpasta met koper) als elektrode gebruikt. Het bereikte rendement van deze cellen ligt rond de 15%. Het grote nadeel van deze technologie is dat Cadmium zeer giftig is. Daarnaast heeft het, net als lood en kwik, de eigenschap zich in de voedselketen op te stapelen. Met name de grotere (zee)dieren lopen dus risico op langzaam opgelopen cadmium-vergiftiging. Momenteel wordt er in diverse laboratoria hard gewerkt aan het ontwikkelen van cadmium-vrije cellen.
Hoe wordt een dunne-film zonnecel gemaakt?
Traditionele zonnecellen gebaseerd op silicium-wafels hebben een relatief complex productieproces en zijn dus vrij duur om te maken. Dunne-film zonnecellen gebaseerd op andere materialen zijn, ondanks de hogere materiaalkosten, een stuk eenvoudiger te maken. Een grote recente doorbraak in het fabricageproces van CIGS-zonnecellen heeft het maken van deze cellen een stuk eenvoudiger gemaakt. Het proces verloopt vergelijkbaar met het drukken van een krant. Het verloopt als volgt:
Grote rollen aluminium-folie lopen door een pers vergelijkbaar met die van een krant. Deze pers is gemakkelijk in onderhoud. Een printer laat een dunne laag halfgeleidende inkt achter. Dit gebeurt onder normale omstandigheden. In een oudere versie van het proces was een vacuum vereist. Op de volgende pers wordt afhankelijk van het celtype een laag Cadmium-sulfide of Zink-oxide aangebracht.
Er wordt een transparante beschermingslaag aangebracht. De vellen worden gesneden tot individuele zonnecellen. Hierbij gaat weinig materiaal verloren.
Het Amerikaanse bedrijf Nanosolar stelt dat het met dit proces in de nabije toekomst de kosten van zonne-energie kan terugbrengen naar slechts 25 eurocent per watt. Dit is een behoorlijk stuk onder de limiet van 1 euro, die door velen wordt gezien als de prijs waarmee zonne-energie kan concurreren met gewone, ‘grijze’ energie. Eén ding is zeker: we gaan dunne-film technologie in de toekomst vaak tegenkomen!