'Zonne-energie ís al rendabel. Niet in de verre toekomst, maar nu,' klinkt het zelfverzekerd. Wim Sinke, zonnecel-specialist van ECN en hoogleraar aan de Universiteit Utrecht is een van de meest overtuigde pleitbezorgers van zonne-energie. 'Panelen met een efficiëntie van twintig procent zijn al op de markt. In Italië is grid parity al bereikt. De rest van Zuid-Europa volgt binnen een paar jaar en Nederland voor 2020.' Daarmee bedoelt Sinke dat het opwekken van een kWh elektriciteit met zonnecellen in Italië voor een particulier nu hetzelfde kost als het kopen van een kWh elektriciteit van het net.
Werkpaard
Energie uit de zon is er in overvloed. In Nederland is de energie-inhoud van het licht dat per jaar op een vierkante meter grond valt zo'n 1000 kWh. Als je dat allemaal nuttig zou kunnen gebruiken heeft een huishouden maar zo'n drie vierkante meter aan fotovoltaïsche (PV) panelen nodig om in zijn elektriciteitsbehoefte te voorzien. Helaas zijn er nogal wat factoren die roet in het eten gooien. Het werkpaard van de zonnecellenindustrie, de cel van kristallijn silicium, zet in commerciële panelen maximaal een vijfde van de energie van het zonlicht om in elektriciteit. Het belangrijkste probleem is dat niet alle golflengtes van het licht efficiënt kunnen worden omgezet in de cel. Zo'n 55% van de energie is infrarood licht met te weinig energie en het overschot aan energie van UV licht. Verder gaat er nog wat energie verloren doordat elektronen en gaten bij elkaar komen zonder stroom te leveren (zie kader). De hoogst haalbare opbrengst van een siliciumcel (en van andere enkelvoudige zonnecellen) is daarom in theorie rond de 30%. In de praktijd wordt maximaal 25% bereikt voor kleine, zeer dure cellen. Eind april vestigde ECN een wereldrecord door een compleet paneel met multikristallijn silicium cellen te maken met een rendement van 16.4%.
Niet alleen moet de efficiëntie omhoog, ook de productie- en installatiekosten moeten omlaag. Op dit moment kost een 'sleutelklaar' zonnestroomsysteem minimaal zo'n vier euro per watt geïnstalleerd vermogen. 'Die prijs moet minstens een factor vier dalen,' zegt Sinke. 'In feite gaat het om de prijs-prestatieverhouding. Zonnecellen en -panelen moeten dus efficiënter worden én goedkoper om te maken. Daar ligt ook het belang van ons wereldrecord.'
Een manier om een silicium zonnepaneel goedkoper te maken ligt voor de hand. Gebruik minder van het relatief dure, zuivere silicium. De plakjes die gezaagd worden uit een blok kristallijn silicium zijn nu nog zo'n 200 micrometer dik. Door betere zaagtechnieken kan dat naar 150 µm. Het Belgische onderzoeksinstituut IMEC ontwikkelt technieken waarmee laagjes van 40 µm of minder gemaakt kunnen worden. Robert Mertens, senior fellow bij IMEC en hoogleraar aan de KU Leuven legt uit: 'Je kunt bijvoorbeeld het siliciumkristal vlak onder het oppervlak poreus maken waardoor het daar afbreekt. Een andere methode is een 'plakbandje' aanleggen van een laagje aluminium of zilver. Wanneer dit laagje van het siliciumkristal af wordt getrokken neemt het een dun laagje silicium mee dat vervolgens op een drager kan worden gelegd. Met een derde techniek, depositie van silicium uit de gasfase, kunnen we zelfs laagjes van maar vijf micron maken. De rendementen van de cellen blijven behouden. Deze methoden kunnen de kosten aanzienlijk drukken.'
Deze zogenaamde dunne-film siliciumcellen hebben nog een voordeel. Ze kunnen op een buigzame drager worden gezet. Het Nederlandse bedrijf Nuon Helianthos pakt de cellen in folie en maakt er lichte, flexibele stroken van. Niet alleen is er weinig materiaal nodig, maar ook de productie is goedkoper per watt paneelvermogen. Ze kunnen namelijk aan de rol worden gemaakt in een continu proces. Goedkopere dunne-film zonnepanelen kunnen ook worden gemaakt met andere materialen zoals cadmiumtelluride. Dit materiaal absorbeert zonlicht goed, net als kristallijn silicium. Het paneelrendement is met zo'n 11% redelijk in vergelijking met kristallijn silicium. Maar cadmium is extreem giftig. Daarom is op voorhand een terugname- en recycling-systeem opgezet. 'Nu nog hebben dunne film-cellen zo'n tien procent van de markt. Ik verwacht dat dat aandeel zal groeien,' zegt Sinke.
Vierhonderdvijftig zonnen
Een dure zonnecel moet een hoog rendement halen om een zinvolle toepassing te vinden. Prijzige galliumarsenidecellen worden al geruime tijd met succes in de ruimtevaart en ook bijvoorbeeld op de Nuna zonnewagens van de Technische Universiteit Delft gebruikt. De theoretische limiet van deze klasse cellen ligt rond de 60% en bij gebruik onder geconcentreerd licht zelfs boven de 75%. In het lab is de race om de vijftig procent-grens inmiddels begonnen. Begin dit jaar maakte het Duitse Fraunhofer-instituut bekend een cel te hebben gemaakt die 41.1% rendement haalt.
De Duitse cel is een zogeheten multi-junction cel die bestaat uit drie lagen: gallium indium fosfide, gallium indium arsenide en germanium. De lagen absorberen ieder een eigen deel van het spectrum van zonlicht, zodat ze samen een veel groter deel benutten dan de huidige commerciële zonnecellen. Tussen de 400 en 1700 nm wordt bijna al het zonlicht geabsorbeerd. De verschillende lagen in een multi-junction cel moeten netjes op elkaar aansluiten. De moeilijkheid daarbij is dat de afstanden tussen de atomen in het kristalrooster niet gelijk zijn. De onderzoekers hebben een methode gevonden om eventuele defecten naar de zijkant van het kristal te dirigeren zodat ze geen negatieve invloed hebben op de stroom. Ook IMEC onderzoekt deze cellen. 'In tegenstelling tot veel anderen maken wij een mechanische stapeling in plaats van een monoliet. Deze laatste staan in serie dus bepaalt de laagste stroom het totaal. In onze cellen is het een optelsom,' legt Mertens uit. 'Nadeel is wel dat zowel de top als de onderkant elektrische contacten heeft waar verliezen kunnen optreden. Maar wij denken dat dit de beste oplossing is.'
Deze stacks met hoge rendementen zijn niet meer te vergelijken met silicium zonnepanelen. De dure cellen zijn alleen maar toepasbaar in zogeheten concentratiesystemen op plaatsen waar veel direct zonlicht is zoals woestijngebieden. De Duitse onderzoekers straalden 'geconcentreerd' zonlicht op van ruim 450 keer de normale sterkte. Daar is een spiegel of lens voor nodig. 'Door hun specifieke eigenschappen zijn deze systemen vooral geschikt voor grote toepassingen, enkele tientallen megawatts,' zegt Mertens. 'De betrouwbaarheid op lange termijn is nog onbekend.'
Buigzame elektriciteit
Binnenkort waarschijnlijk beschikbaar voor nichemarkten zijn de organische zonnecellen. 'Zo ongeveer elk consumentenproduct op zonnecellen wat je kan bedenken is al gemaakt en op de markt gebracht. En meestal er ook weer afgehaald omdat het niet voldeed aan de verwachtingen,' zegt Sinke. Hij doelt op allerhande gadgets zoals zonnecellen op jassen of tassen, op mobieltjes, laptops en andere elektronica. 'Organische zonnecellen kunnen hier prachtige nieuwe mogelijkheden bieden. Ze vallen onder de emerging technologies die het lab of de proefproductie nog niet echt zijn ontstegen. De bedoeling is echter dat deze technologie op de middellange termijn doorgroeit naar professionele en grootschalige toepassingen.'
Een variant van de organische zonnecel is de 'plastic' (polymere) cel. Die bestaat uit een organische halfgeleider (in tegenstelling tot het anorganische silicium of andere elementen). Meestal is het een polymeer zoals een polythiofeen in combinatie met een verbinding die opvalt door de buckybal (C60). De eerste is de elektrondonor, de tweede de elektronacceptor. Een belangrijk probleem met polymere (en andere organische) zonnecellen is het relatief lage rendement. De maximale opbrengst van kleine polymere cellen is nu zo'n 6% in het laboratorium. Dat kan worden verhoogd door een groter deel van het spectrum van het zonlicht te benutten. Een groot praktisch probleem vormt verder de stabiliteit en vochtgevoeligheid van de gebruikte materialen. Voor toepassingen moeten de materialen daarom goed ingepakt worden en dat is duur. 'Wij zoeken in samenwerking met universiteiten naar nieuwe, stabiele organische verbindingen. Moeilijkheid daarbij is dat organische verbindingen vaak een te grote bandgap hebben. Verder is de morfologie van de polymeerfilm van groot belang,' legt Mertens uit. Een andere organische zonnecel is de kleurstofgesensibiliseerde cel, ook wel Grätzelcel genoemd naar de uitvinder van de best werkende variant. De efficiëntie van deze cellen is maximaal zo'n 11% in het lab. Deze cel bestaat uit een poreuze laag titaniumdioxide. Dit materiaal absorbeert voornamelijk UV-licht, vandaar dat het veel in zonnebrandcrème zit. In een Grätzelcel is TiO2 bedekt met een laagje van een kleurstof dat op chlorofyl lijkt, de verbinding die in planten zorgt voor de omzetting van kooldioxide met licht in zuurstof en suikers. Wetenschappers zoeken naar kleurstoffen die een zo groot mogelijk deel van het spectrum van zonlicht absorberen. Nadeel van de best werkende kleurstofcellen is dat er een vloeibaar elektrolyt nodig is, vandaar dat men werkt aan vaste geleiders.
Integratie
Ondanks de vooruitgang en het optimisme van experts zal zonne-energie ons de komende decennia nog niet volledig van elektriciteit voorzien. 'Een reëel scenario is dat in 2020 vier tot zes procent van de elektriciteitsconsumptie binnen de EU uit zonne-energie gehaald wordt,' denkt Sinke. Naast een verlaging van de opwekkosten per kWh moet zonne-elektriciteit nog worden geïntegreerd in het elektriciteitsnet. Een probleem is bijvoorbeeld dat er 's nachts geen opwekking van elektriciteit plaatsvindt, en overdag juist teveel. Wetenschappers in de Verenigde Staten hebben echter vorig jaar in Scientific American laten zien dat desondanks in 2050 bijna zeventig procent van de elektriciteit uit zonlicht kan komen.
Dit artikel is gepubliceerd in C2W10, 16 mei 2009.
