spacer.png, 0 kB
Volg Cursor via Twitter Volg Cursor via Facebook Cursor RSS feed
spacer.png, 0 kB

spacer.png, 0 kB


‘’Ik wilde graag in Zuid-Amerika onderzoek doen naar stedelijke ontwikkeling en de invloed op de infrastructuur’’
Cursor in PDF formaatCursor als PDF
PrintE-mail Tweet dit artikel Deel dit artikel op Facebook
Wereldrecord silicium zonnecel door ultradunne lagen
24 april 2008 - Hoe zorg je dat de elektrische energie die in een zonnecel wordt opgewekt, niet direct weer verloren gaat aan de oppervlakten van de cel? Ir. Bram Hoex heeft voor zijn promotieonderzoek binnen de vakgroep Plasma & Materials Processing van de faculteit Technische Natuurkunde, extreem dunne laagjes bekeken, die aan de voor- en achterkant van een silicium zonnecel worden aangebracht om licht- en elektriciteitsverlies te voorkomen. Bij die verschillende soorten lagen bevindt zich een veelbelovende nieuwkomer: aluminiumoxide.

Bram: “Een van de zonnecellen met aluminiumoxide die we in samenwerking met Fraunhofer ISE uit Duitsland hebben gemaakt, liet zelfs de beste elektrische efficiëntie ooit gemeten zien voor dit type zonnecel. De efficiëntie was een procent (absoluut) hoger dan het wereldrecord tot nu toe in die klasse.” Hoe kunnen zulke ultradunne laagjes van niet meer dan 100 nanometer, ofwel één tienduizendste millimeter, aluminiumoxide zorgen dat je meer rendement uit een zonnecel haalt?

“Aluminiumoxide bevat een enorme hoeveelheid elektronen die in de stof vastzitten”, vertelt Bram. Die elektronen zorgen voor een sterk elektrisch veld waardoor elektronen in het silicium bijna niet aan het oppervlak kunnen komen. Hierdoor ontstaat een enorm lage elektronenconcentratie aan het oppervlak van de zonnecel. Elektriciteitsverlies aan het oppervlak krijg je doordat een elektron en een gat bij elkaar komen. Maar als er maar weinig elektronen zijn, kunnen er ook maar weinig samenkomen met gaten. Het elektriciteitsverlies blijft hierdoor beperkt, aldus Bram.

“De lading in het aluminiumoxide zorgt ervoor dat het energieverlies aan het oppervlak zelfs met een factor tienduizend wordt verlaagd. En dat is wat we nodig hadden. Zelfs meer dan dat”, vertelt Bram, “De huidige testen, die toch heel gevoelig zijn, lijken er zelfs op te wijzen dat we hiermee de energieverliezen aan het oppervlak hebben uitgeschakeld.”

Licht
Die ultradunne laagjes helpen niet alleen elektriciteitverlies, maar ook lichtverlies verminderen. Een antireflectielaag aan de voorkant zorgt dat er zoveel mogelijk licht de zonnecel ingaat. Aan de achterkant is juist een reflecterende laag nodig om het licht dat nog niet gebruikt is, weer in de zonnecel terug te laten kaatsen. Bram: “Siliciumnitride, bijvoorbeeld, is een zeer geschikte antireflectielaag die ervoor zorgt dat de zonnecel zijn kenmerkende blauwe kleur krijgt.”

De ultradunne laagjes op een zonnecel worden met ‘plasmadepositie’ gemaakt. Bram: “Een plasma is een reactief gas dat buiten neutrale deeltjes ook elektronen en ionen bevat. Voor een laagje siliciumnitride maken we met behulp van een plasma silaan (SiH4) en ammoniak (NH3) reactief en daardoor groeit er een laag siliciumnitride (a-SiNx:H) aan op de zonnecel.”

Een van de plasmatechnieken om een laag te laten aangroeien op de zonnecel, is de zogenaamde ‘expanding thermal plasma’ (ETP) technologie die de TU/e in 1989 heeft gepatenteerd en waar OTB Solar B.V. in Eindhoven sinds 2001 een licentie op heeft. “Het belangrijkste voordeel van deze ETP technologie, die tegenwoordig door vele grote zonnecelproducenten wordt gebruikt, is dat deze tien keer zo snel een laagje siliciumnitride laat aangroeien dan andere methodes”, vertelt Bram.

Atomaire-laagdepositie
Om een laagje aluminiumoxide op een zonnecel te maken, wordt echter een andere, nieuwe techniek gebruikt: de zogenaamde atomaire-laagdepositie. Het groeiproces van de laag op de zonnecel wordt opgesplitst in twee reacties die uit zichzelf stoppen. Bram: “Allereerst laten we een gas met als onderdeel aluminium (Al[CH3]3) reageren op het oppervlak. Die reactie stopt vanzelf als het hele oppervlak gereageerd heeft. Het resulterende oppervlak is vervolgens heel gevoelig voor bijvoorbeeld water en oxideert snel. Deze reactie stopt ook weer vanzelf en het resulterende oppervlak is weer reactief met het aluminium bevattende gas, enzovoort. Die twee zogenaamde halfreactiesprocessen voeren we wel 200 tot 300 keer uit,” vertelt Bram, “Zo groeit het aluminiumoxide heel gecontroleerd atoomlaagje voor atoomlaagje aan.” Deze vorm van nano engineering heeft heel grote voordelen, maar ook een belangrijk nadeel. Volgens Bram duurt het aangroeien van de laag tien tot twintig minuten per zonnecel. Ter vergelijking: een laagje siliciumnitride met de ETP techniek groeit in zestien seconden aan.

Lonend
Waarom kan de toepassing van aluminiumoxide aangebracht met atomaire-laagdepositie, ondanks de relatief lange productietijd, toch aantrekkelijk zijn? “Het duurt misschien langer om het laagje te maken, maar omdat de zonnecel die je daarmee krijgt zo goed is, maakt dat wellicht niet zoveel uit”, vertelt Bram, “Je wint zoveel terug door de zonnecel efficiënter te maken.” Volgens een grove berekening verdien je een half miljoen euro meer per jaar voor een standaard zonnecelproductielijn als je de zonnecel een tiende procent efficiënter maakt. Maak je de cel één procent efficiënter dan win je vijf miljoen per jaar. Dat kan deze toepassing toch lonend maken aldus Bram.

“Ons werk wordt op dit moment opgepikt door zonnecel- en machineleveranciers”, vertelt Bram die tijdens zijn promotieonderzoek werd begeleid door promotor prof. dr. ir. Richard van de Sanden en copromotor dr. ir. Erwin Kessels. Bram: “We zijn nu aan het kijken hoe snel we dit op de markt kunnen hebben. Verschillende partijen zijn heel erg geïnteresseerd. Als je het wereldrecord met een procent verbetert, gaan de ogen wel open.”

Verificatie
“Het maken van echte zonnecellen, wat we helaas niet zelf kunnen, is essentieel voor de acceptatie van nieuwe technologie en dient bovendien als onafhankelijke verificatie voor onze onderzoeksresultaten. De eerste zonnecellen met aluminiumoxide hebben we eind vorig jaar gemaakt samen met het zonnecelinstituut ISFH uit Duitsland”, vertelt Bram. Hij is daarbij alleen betrokken geweest bij het aanbrengen van de aluminiumoxidelaag. De rest werd door het zonnecelinstituut zelf uitgevoerd. Bram: “Ook hier waren de resultaten boven verwachting. Onze technologie heeft tijdens de tweede zonneceltesten, die we samen met Fraunhofer ISE hebben uitgevoerd, zelfs geleidt tot de beste silicium zonnecel die Fraunhofer ISE ooit gemaakt heeft. Gelukkig was ik net op bezoek toen dat bekend werd, zodat ik kon meegenieten van de champagne!”

Deze hoopvolle resultaten heeft Bram Hoex voor het eerst in december 2007 mondeling kunnen presenteren op een zonnecelconferentie in Japan. “Inmiddels komen bedrijven en instituten naar ons toe als bijen op de honing. De aandacht is enorm”, vertelt Bram, “Afgelopen vrijdag gaf ik een presentatie voor een bedrijf en het publiek moest af en toe zelfs lachen uit ongeloof. De resultaten waren te opzienbarend.” De zaken zijn inmiddels in een stroomversnelling geraakt. Bram komt net terug uit de Verenigde Staten en heeft zijn koffers weer gepakt om naar Azië te vliegen. Bram: “Het is een leuke en behoorlijk spannende tijd zo voor mijn promotie.”/.

Zonnecellen/Ingrid Magilsen
Foto’s/Bart van Overbeeke