Reading time: 6 minutes
Author:
De Nijmeegse vakgroep Applied Materials Science van universitair docent John Schermer gaat zijn onderzoek naar III-V-dunnefilmzonnecellen commercialiseren. Een uitstekend excuus om eens langs te gaan en Schermer het hemd van het lijf te vragen.
Wat doet de Applied Materials Science-groep?
Schermer: ’Wij zijn gespecialiseerd in de kristalgroei en materiaalkunde van opto-elektronisch actieve III-V-halfgeleiders als galliumarsenide, aluminiumgalliumarsenide, indiumgalliumfosfide en indiumfosfide. Mijn sectie van de vakgroep wil deze materialen gebruiken om efficiënte maar goedkope zonnecellen te maken. Een collega runt de sectie III-nitrides voor bijvoorbeeld blauwe lasers en hoogvermogenelektronica.‘
III-V-halfgeleiders? Wat is er mis met silicium?
’Er is niets mis met silicium, maar dit element heeft óók niet de ideale eigenschappen voor een zonnecel. Kristallijn silicium is een zogenaamde indirecte halfgeleider. Dat betekent dat er voor de promotie van een elektron uit de valentieband naar de conductieband behalve een foton van voldoende energie ook een fonon (een gekwantiseerde kristalroostertrilling, PvG) nodig is. De kans dat deze drie deeltjes elkaar ’tegenkomen‘, is relatief klein. Daardoor moet een zonnecel van kristallijn silicium relatief dik zijn, wil al het invallende licht worden gebruikt. Het minimum bedraagt zo‘n honderd micrometer.‘
’Amorf silicium kent als directe halfgeleider dit nadeel niet, maar imperfecties in het kristalrooster beperken het rendement van zonnecellen op basis van dit materiaal. Die zorgen er namelijk dat door licht aangeslagen elektronen via tussenliggende energieniveaus weer kunnen terugvallen. Daardoor leveren ze geen bijdrage aan de zonnestroom en gaat de energie verloren als warmte. Interne recombinatie heet dat proces.‘
Zijn de eigenschappen van III-V-halfgeleiders beter?
’Van III-V-halfgeleiders kun je met chemische dampdepositie bijna perfect kristallijnen laagjes laten groeien. Het zijn directe halfgeleiders, dus een paar micrometer is dik genoeg om al het licht te benutten. Omdat kristalroosterdefecten zeldzaam zijn, speelt interne recombinatie vrijwel geen rol.‘
’Een andere prettige eigenschap van III-V-halfgeleiders is dat je ze naar hartenlust op elkaar kunt stapelen. Ieder materiaal heeft een andere bandgap, die correspondeert met een ander deel van het spectrum. Door een opbouw van laagjes kun je dus het opgenomen vermogen uit zonlicht maximaliseren. Tegenwoordig zijn drie lagen, exclusief coatings en tussenlagen, de best presterende. Pogingen om er vier of meer te gebruiken, hebben nog niet geresulteerd in beter presterende zonnecellen.‘
Als je alles uit de kast trekt, welk rendement kun je dan halen?
’De beste triple junction-zonnecel van indiumgalliumfosfide, galliumarsenide en germanium heeft een rendement van 41,6 procent, zoals vermeld in de Solar Cell Efficiency Tables die halfjaarlijks worden bijgewerkt in het vaktijdschrift Progress in Photovoltaics: Research and Applications. Dat is wel met behulp van een lichtconcentratiesysteem, waarbij de elektrische output meer dan evenredig met de lichtintensiteit stijgt. Het rendement neemt dus ook toe met wat we noemen de concentratiefactor.‘
’Ter vergelijking: de beste triple junction-cel haalt 32,0 procent zonder concentratietechnieken. De allerbeste siliciumcel ooit gemaakt doet 25 procent, zonder concentratietechnieken.‘
Staat jouw groep ook in deze recordtabel?
’Jazeker, maar niet met een triple junction-zonnecel. Wij hebben er lang geleden al voor gekozen niet direct mee te gaan in de race om steeds efficiëntere zonnecellen te maken. In plaats daarvan vonden we het interessanter om eerst te kijken of we materiaal zouden kunnen besparen. Dat is gelukt: we hebben eerst een galliumarsenide zonnecel gefabriceerd met een rendement van 26,1 procent en daarna een dunnefilmversie daarvan met een even hoog rendement. Met twee micrometer dik is dat eigenlijk een zonnefolie. Als je rekening houdt met het oppervlak dat bedekt is met elektrodes en dus geen licht absorbeert en met verliezen door reflectie, blijkt dat de energieomzetting dicht tegen het theoretisch maximum aanzit. Nagenoeg ieder foton dat wordt ingevangen, genereert een vrij elektron dat wordt gecollecteerd.‘
Hoe maak je zo‘n superdunne zonnecel?
’Met het Epitaxial Lift-Off-proces (Elo, PvG). We hebben er zo‘n vijftien jaar over gedaan om deze ’afpelprocedure‘ te vervolmaken. Het begint met een germanium of galliumarsenide wafer waarop we eerst een speciale etsgevoelige laag deponeren voordat we er de zonnecel op laten groeien. Daarna etsen we de scheidingslaag onder de zonnecel weg en transfereren we die naar een ander substraat. Aanvankelijk gebruikten we glas als ondergrond, maar nu lukt het ook met metaalfolie.‘
’De charme van het proces is dat de oorspronkelijke wafer hergebruikt kan worden. Voor de werking van de zonnecel is hij van geen waarde, dat blijkt wel uit het feit dat een losgepelde dunnefilmcel een even hoge efficiëntie kent als eentje die op de wafer is blijven zitten. De overdracht op goedkoper substraat is dus straffeloos. Dat is niet altijd zo geweest: aanvankelijk haalden we er cellen af met een rendement van 10 procent, terwijl het best denkbare destijds een procent of 24 was. Dat hebben we stapsgewijs weten te verbeteren door de procedure te verfijnen.‘
’Een ander probleem was de etssnelheid. In het begin etsten we een millimeter per uur weg. Dat is industrieel niet interessant. Inmiddels halen we drie centimeter per uur. Ook de nabehandeling op een niet-geleidend substraat stelde ons voor problemen. Glas bijvoorbeeld zet bij verwarming niet even sterk uit als III-V-materialen, waardoor de cel breekt bij een thermische behandeling.‘
Zou de zonnecel nog dunner kunnen?
’Ja, dat moet kunnen door het licht op te sluiten in de zonnecel. Fabrikanten van silicium zonnecellen willen ondanks de fysische beperkingen van dit fotoactieve materiaal toch graag dunnere zonnecellen maken. Wij kunnen dezelfde ’trucs‘ gebruiken. Met een spiegel aan de achterkant bijvoorbeeld maken wij onze zonnecellen nu ook nog eens half zo dun en misschien kan dat nog wel beter met een gestructureerde achterzijde waardoor het licht schuin terugkaatst. Belangrijk voordeel vanuit een industrieel perspectief hierbij is behalve de materiaalbesparing ook het feit dat dunnere zonnecellen sneller gemaakt zijn.‘
Is zo‘n superdunne zonnecel ook commercieel gezien interessant?
’Circadian Solar vindt van wel. Wij werken nu ruim twee jaar met dit Britse bedrijf samen en hebben onlangs gezamenlijk de joint venture TF2 Devices opgericht om de Elo-technologie te vervolmaken en uiteindelijk hoogrenderende dunnefilmcellen op de markt te brengen, voor Circadian Solar maar ook voor andere gebruikers.‘
’Het doel van Circadian Solar is een zogeheten concentrated photovoltaics-systeem (CPV, PvG) te ontwikkelen voor gebruik in grootschalige energiecentrales. Daarin wordt het zonlicht met relatief goedkope materialen geconcentreerd op onze III-V-zonnecellen. III-V-materialen zijn veel duurder dan silicium, maar dankzij concentratie is er veel minder celoppervlak nodig. Omdat onze cellen heel dun zijn, maar toch heel efficiënt, is er uiteindelijk zo weinig galliumarsenide nodig dat het principe commercieel aantrekkelijk wordt. Daarbij is dan inbegrepen een systeem om de zon te volgen. Tegenwoordig zijn dit soort zonne-elektriciteitsfabrieken vooral in Zuid-Europa te vinden. Deze gebruiken multi-junctiecellen met rendementen van ruim 35 procent.‘
Wanneer kunnen we de eerste centrales in Nederland verwachten?
’Met onze technologie verwachten we inderdaad dat dat mogelijk moet worden, maar wanneer TF2 Devices klaar is voor productie van Elo-cellen is nog niet bekend. In principe is Nederland overigens niet zo geschikt voor CPV-systemen vanwege de relatief grote hoeveelheid diffuus – dat wil zeggen verstrooid – licht. Diffuus licht laat zich niet concentreren. Gemiddeld over een jaar is in Nederland ongeveer de helft van het licht diffuus. Je zou dus kunnen zeggen dat je het rendement van CPV-systemen door twee moet delen. Normale zonnepanelen zetten diffuus licht wel om in zonnestroom.‘
Op Nederlandse daken zullen we III-V-materialen dus niet gaan aantreffen?
’Misschien wel. We werken ook samen met het Eindhovense Suncycle, dat III-V-zonnecellen integreert in een kleinschalig CPV-systeem. Onze technologie is nog niet in productie en die gebruikt Suncycle dus nog niet; wij dragen vooral onze kennis over de behandeling van III-V cellen en meetexpertise bij.‘
Voor een profiel van Suncycle zie Mechatronica Magazine 1, 2009.
