Simulaties TU Delft helpen rendement zonnecellen te optimaliseren

Een internationale fotovoltaïsche werkgroep heeft een nieuwe transparante toplaag voor zonnecellen ontwikkeld, gebaseerd op nanokristallen. Simulaties, uitgevoerd door de deelnemende TU Delft-onderzoekers, tonen aan dat deze laag het rendement van in massaproductie vervaardigde – en betaalbare – zonnecellen kan verhogen tot op een procentpunt van de praktisch haalbare limiet. Het gecombineerde praktische en theoretische onderzoek is nu gepubliceerd in Nature Energy.

Betaalbaar, met een hoog rendement

Veruit de meeste van de wereldwijd geïnstalleerde zonnepanelen – in 2019 goed voor een totaal vermogen van 629 gigawatt met een jaarlijkse groei van ongeveer 25% – zijn gebaseerd op zonnecellen van kristallijn silicium. Deze zijn relatief goedkoop op grote schaal te produceren terwijl ze bijna een kwart van de invallende zonne-energie in stroom omzetten. ‘Veel onderzoeksgroepen proberen deze silicium zonnecellen verder te verbeteren,’ zegt Rudi Santbergen, universitair docent in de Photovoltaic Materials and Devices-groep aan de TU Delft en een van de coauteurs. ‘De uitdaging is om het rendement van de zonnecel te verhogen terwijl je de productiekosten laag houdt, zodat zonne-energie steeds goedkoper wordt.’

Passivering

De grootste toename in het rendement van zonnecellen is het afgelopen decennium voortgekomen uit incrementele verbeteringen in drie essentiële eigenschappen van de toplaag. Deze toplaag dient transparant te zijn zodat (vrijwel) al het invallende zonlicht de halfgeleiderlaag bereikt die zonne-energie in elektriciteit omzet. Hij moet bovendien goed geleidend zijn zodat het de vrijgemaakte ladingdragers (elektronen of gaten) op efficiënte wijze naar de elektrische contactpunten van de zonnecel transporteert. Daarnaast moet deze laag over een cruciale eigenschap beschikken die passivering heet, waarmee voorkomen wordt dat ladingdragers aan het oppervlak recombineren en zo niet meer bijdragen aan de met zonne-energie opgewekte elektrische stroom.

Nanokristallen

De hoofdonderzoekers van Forschungszentrum Jülich hebben met een bewezen en eenvoudig op te schalen productieproces een nieuwe toplaag gecreëerd, gebaseerd op nanokristallen van silicium carbide, met een superieure combinatie van deze drie eigenschappen. ‘Met het eerste prototype van hun zonnecel bereikten ze al een rendement van bijna 24%, net zo hoog als de beste zonnecellen die in andere laboratoria gemaakt worden,’ zegt Santbergen. ‘Ze vroegen ons om hun resultaten te valideren met behulp van simulaties.’

Toonaangevend in modelleren

De Photovoltaic Materials and Devices-groep van de TU Delft is wereldwijd toonaangevend in het ontwerpen, optimaliseren en de productietechnologie van zonnecellen. Ze hebben unieke expertise op het gebied van modelleren – van fotovoltaïsche materialen op atomaire schaal, tot het rendement van de gehele zonnecel, tot het modelleren van de jaaropbrengst aan elektriciteit van een heel systeem aan zonnepanelen in de gebouwde omgeving. Het is een van de weinige onderzoeksgroepen die geavanceerde optische en elektrische simulaties kan combineren, wat nodig was om de resultaten van de Jülich-zonnecel te valideren.
 

Dicht bij de praktische limiet

De optische simulaties, uitgevoerd door Santbergen, laten voor elke invallende golflengte zien waar in de zonnecel welk deel van het zonlicht zal worden geabsorbeerd – of de fotonen de halfgeleiderlaag zullen bereiken of niet. Het elektrische model van zijn collega Paul Procel Moya simuleert het transport van de vrijgemaakte elektronen en gaten door de zonnecel en bepaalt of deze al dan niet de elektrische contactpunten bereiken. ‘Onze simulaties geven precies aan waar in de zonnecel welke verliezen optreden,’ zegt Santbergen. Nog veel belangrijker is dat de TU Delft-onderzoekers hebben aangetoond dat de nieuwe toplaag in principe het rendement van de zonnecel kan verhogen van 24% naar 26%. Dit is dicht bij de praktische limiet van 27% waarboven, naar verwachting, de productiekosten van silicium zonnecellen zo hoog oplopen dat ze geen commercieel nut meer hebben. Santbergen: ‘Onze collega’s in Jülich hebben al ideeën hoe ze hun productieproces kunnen bijstellen om zo deze grote stap voorwaarts te realiseren.’

De werkgroep, onder leiding van onderzoekers van Forschungszentrum Jülich uit Duitsland, was een samenwerking tussen instituten uit Duitsland, Nederland, Ecuador, Rusland en China. De deelnemende TU Delft-onderzoekers, allen van de Photovoltaic Materials and Devices-groep, waren doctor Paul Procel Moya (links), universitair docent Rudi Santbergen (rechts) en universitair hoofddocent Olindo Isabella.