Op weg naar een flexibel zonnepaneel

Body: 
Utrechts-Arnhemse alliantie brengt betaalbarezonne-energie dichterbij

Het zal nog een kleine tien jaar duren, maar dan isvolgens onderzoeker Ruud Schropp, zonne-energie even goedkoop alsde elektriciteit uit het stopcontact. De kans is groot dat het dangaat om zonnecellen van Utrechtse makelij. Begin dit jaar sloot deUniversiteit Utrecht een strategische alliantie met Akzo Nobel diemoet leiden tot de eerste Europese fabriek van flexibelezonnecellen.

Ze zijn er al meer dan twintig jaar, de bekende glazen panelendie ons land op bescheiden schaal van elektriciteit voorzien. Vaneen commerciële doorbraak is echter geen sprake zolangelektriciteitsmaatschappijen nog stroom kunnen leveren vooreentiende van de prijs van zonne-energie. Hoofdoorzaak van datprijsverschil is de relatief dure stroom die wordt geleverd door deop dit moment gebruikte zonnecellen van kristallijn silicium.Vandaar dat in Utrecht en elders wordt gezocht naar materialen entechnieken die de productie goedkoper kunnen maken.

De huidige generatie zonnecellen die vooral zijn te vinden inexperimentele woonwijken, maar bijvoorbeeld ook op de geluidswalvan de A28 ter hoogte van De Uithof, bestaan uit laagjessilicium-in-kristalvorm die uit een blok worden gezaagd en daarnaop glas worden 'geplakt'. De keuze van zonnecelontwerpers omsilicium te gaan gebruiken had verschillende redenen. Allereerstwas de grondstof zand ruim voorhanden. En omdat silicium ook alwerd toegepast in onder meer transistors en chips, was bovendienbekend dat het de voor zonnecellen onmisbare eigenschappen van eenhalfgeleider bezat, een materiaal dat elektrische stroom - of beterelektronen - slechts onder bepaalde omstandigheden doorlaat, in hetgeval van zonnecellen onder invloed van zonlicht.

Moederatoom

Het principe van een zonnecel is eenvoudig. Als een bundelzonlicht - eigenlijk een bundel fotonen ofwel energiepakketjes - ophet silicium valt, krijgt een aantal elektronen zoveel energie meedat zij uit de greep van het 'moederatoom' ontsnappen. Om ervoor tezorgen dat die elektronen allemaal dezelfde kant op stromen - wantalleen dan ontstaatelektrische stroom - worden aan weerszijde vande zonnecel dunne siliciumlaagjes geplakt die zijn verontreinigdmet bijvoorbeeld fosfor of borium. Deze verontreinigingen zijn zogekozen dat zij elektrisch geladen zijn en wel aan de ene kant vande cel positief en aan de andere kant negatief. Daardoor ontstaatin de cel een permanent spanningsveld dat de door het zonlichtgeactiveerde elektronen allemaal dezelfde kant opstuurt.

Aanvankelijk werd aangenomen dat alleen silicium-in-kristalvormals halfgeleider kon fungeren, omdat de siliciumatomen er netjes inhet gelid staan, waardoor de elektronen er soepel doorheen kunnenglijden. In silicium in amorfe vorm, een anarchistische troepschots en scheef door elkaar staande atomen, zou dat niet mogelijkzijn. Dat was een probleem want hoewel kristallijn silicium metzo'n vijftien procent een goed rendement geeft (vijftien procentvan de zonne-energie wordt omgezet in elektriciteit) is hetproductieproces - het in het gelid krijgen van de atomen - zo duurdat met dat materiaal nooit een rendabele zonnecel kan wordengeproduceerd. Vandaar de vreugde toen onderzoeker dr. Ruud Schroppvan de sectie grenslaagfysica van het Utrechtse Debye Instituut enzijn collega John Bezemer zo'n tien jaar geleden een techniekontwikkelden waarmee ook amorf silicium onder bepaalde voorwaardenwel degelijk met goede halfgeleider-eigenschappen kon wordenbereid.

"Dat was een belangrijk resultaat", zegt Schropp, "want in zijnamorfe vorm is silicium tegen betrekkelijk geringe kosten tebereiden. Wij hebben hier zelf de vacuümapparatuur ontwikkeldwaarin een siliciumverbinding die we in gasvorm krijgenaangeleverd, bij een temperatuur van 250 graden wordt ontleed en inéén-en-hetzelfde proces in een heel dun laagje (een dunnefilm) op het glas wordt opgedampt. Dat scheelt ook nog eens fors inde materiaalkosten, want zo'n laagje amorf silicium is met eendikte van een halve micrometer enkele honderden malen dunner daneen plak kristallijn silicium."

Cadmium

Er kleeft echter een groot bezwaar aan het gebruik van de amorfesiliciumcel: zijn rendement van rond de elf procent is niet om overnaar huis te schrijven. Vandaar dat in grote delen van de wereldwordt getwijfeld aan de toekomstmogelijkheden van silicium. InJapan en de Verenigde Staten wordt de laatste tijd gegokt op anderematerialen, waarbij met name koper- en cadmiumverbindingen hogeogen gooien. Schropp bevestigt dat bijvoorbeeld de door hetNational Renewable Energy Lab in Colorado gemaakte zonnecellen vankoperindiumselenide met eenrendement van meer dan achttien procenteen niet meer in te halen voorsprong lijken te hebben. Maar hijvreest dat de geringe voorraden indium en seleen in de aardbodem deproducenten waaronder bijvoorbeeld ook Siemens, op termijn wel eenskunnen gaan opbreken.

"In Europa gaan wij in ieder geval gewoon door met silicium. Inde eerste plaats omdat er aan zand nooit gebrek zal zijn, maar ookomdat wij verwachten dat de silicium-technologie nog een geweldigevlucht zal gaan nemen. In Utrecht zijn wij het stadium van deamorfe cel allang weer voorbij. Op dit moment werken wij aan dezogeheten tandemcel, een cel die bestaat uit een combinatie vanzeer dunne laagjes amorf en kristallijn silicium. Dat is mogelijkomdat we inmiddels in staat zijn om ook kristallijn silicium aan tebrengen via ons 'opdamp'-procedé. Wij hopen dat die combinatiede voordelen van de twee materialen in zich zal verenigen en ikverwacht zelf dat we al over zes à acht jaar zover zijn dattandemcellen elektriciteit leveren die even duur is als de stroomvan elektriciteitsmaatschappijen."

Derde Wereld

Een hoopvol geluid kortom, maar of de tandemcel het gebruik vanduurzame energie op grote schaal ook dichterbij zal brengen, is nogde vraag. Want naast het geringe rendement vormt ook deonhandelbaarheid van het glas waarop de zonnecellen op dit momentworden aangebracht een belemmering voor het gebruik, al was hetmaar vanwege de problemen bij het transport. Maar dat zou wel eenskunnen veranderen door een andere vinding van de Utrechtseonderzoekers, dit keer gedaan in nauwe samenwerking met collega'sbij Akzo Nobel, TNO en de universiteiten van Delft enEindhoven.

Schropp: "Het is natuurlijk mooi dat we nu heel dunnezonnecellen kunnen maken, maar het zou nog mooier zijn als we dieop een lichte en flexibele drager konden aanbrengen. Het probleemwas tot nu toe dat we geen geschikte materialen konden vinden dieflexibel, goedkoop en transparant waren en die het opdamp-procesbij 250 graden ongeschonden overleefden. Vandaar dat we nu eentwee-stappen-procedure hebben ontwikkeld, waarbij de zonnecelleneerst op een tijdelijke drager van aluminiumfolie wordenaangebracht. Door deze combinatie vervolgens op een definitievedrager te 'plakken' en dan de aluminiumlaag weg te etsen, kunnen wede zonnecellen dus via een omweg aanbrengen op een drager naarkeuze."

Deze Utrechts-Arnhemse vinding, waarop uiteraard meteen patentwerd aangevraagd, biedt volgens Schropp prachtige vooruitzichtenvoor eenzogeheten roll-to-roll aanpak, waarbij grote oppervlakkenzonnepaneel in een geautomatiseerd productieproces kunnen wordengefabriceerd, bijvoorbeeld op een kunststof ondergrond dievervolgens kan worden geïntegreerd in dak- en gevelelementenvoor de woningbouw. Ook wordt verwacht dat de nieuwe techniek hetgebruik van zonnecellen voor het opladen van accu's en vanbatterijen in bijvoorbeeld mobiele telefoons mogelijk gaat maken.En omdat dankzij het lichte materiaal het vervoer gemakkelijkerwordt, komt de zonnecel-technologie nu ook voor het eerst binnenhet bereik van de Derde Wereld.

Schropp waarschuwt overigens ook in dit opzicht voor te hooggespannen verwachtingen, want er moet nog het nodige wordenonderzocht voordat de eerste resultaten kunnen wordengepresenteerd. "De alliantie met Akzo Nobel is bedoeld om teonderzoeken wat de haken en ogen zijn van het gebruik van de nieuwetechniek op commerciële schaal. Voor dat doel wordt nu inArnhem een 'pilot-fabriek' gebouwd, waar we het productieproces inde praktijk gaan uittesten. Het zal dus nog wel even duren voordatde eerste commercieel bruikbare flexibele zonnecel van de bandrolt. Als we over een jaar of vier zover zijn, dan ben ik zeertevreden."

Erik Hardeman