Zonnepanelen steeds verder richting optimaal rendement

Interview met toponderzoeker Bart Vermang

België kan bogen op prachtige academische adelbrieven als het over het onderzoek naar zonnecellen gaat. Een van de exponenten daarvan is prof. dr. Bart Vermang. Uw vakblad kon hem strikken voor een exclusieve blik op de toekomst van de zonne-energie.

Onderzoek bij UHasselt, imec en EnergyVille

Bart Vermang is bij meerdere entiteiten actief. De academische pijler van zijn onderzoek ligt bij de Universiteit in Hasselt, waar hij les geeft. Daarnaast is hij geaffilieerd met IMO-IMOMEC, het geïntegreerde onderzoeksinstituut van UHasselt en imec, waar de onderzoekskant van zijn werk meer aan bod komt.

Vermang: ”Bij imec komt de praktische toepasbaarheid wat meer naar voren. Ons onderzoek moet toepasbaar zijn in de markt, toch binnen een zekere termijn. imec heeft bovendien binnen elke Vlaamse universiteit een eigen labo, dat in Hasselt onder de noemer IMOMEC werkt. Ik werk dus eigenlijk ook voor die organisatie. Tot slot werk ik ook voor EnergyVille. Die organisatie is opgericht in 2014 naar aanleiding van de sluiting van Ford Genk. Omdat toen geoordeeld werd dat energie een van de belangrijkste maatschappelijke thema’s zou worden, vond men dat er nood was aan een instituut dat onder meer batterijen en hernieuwbare energie op de onderzoeksradar zou zetten. Er is heel veel overlap tussen de diverse onderzoeken.”

Slechts 3% wereldwijd is nu zonne-energie

Wat is uw voorspelling voor zonne-energie op lange termijn?

Bart Vermang: “We staan op wereldschaal nog maar aan het begin van de boom in zonne-energie. Vandaag is er wereldwijd meer dan 600 GWp geïnstalleerd. Dat klinkt veel, maar het gaat slechts over 4% van de totale elektrische energieproductie. Maar alle modellen voorzien een exponentiële groei, die richting de 60 à 70% van het totale wereldverbruik kan gaan. In dat geval zullen er terawatts aan zonnepanelen geïnstalleerd moeten worden, een totaal andere grootteorde dan wat er vandaag aanwezig is. Ik zou pv dus zeker nog niet ten grave dragen; installateurs kunnen op hun beide oren slapen: er zal nog heel veel zonne-energie geïnstalleerd moeten worden. Die exponentiële groei had evenwel een schaduwzijde voor de producenten. Voor hen was het in de periode tussen 2010 en 2015 moeilijk om de marktvraag in te schatten en te voldoen aan de stijgende vraag. We zagen op dat moment veel overnames en faillissementen opduiken. Sindsdien is de rust evenwel teruggekeerd.”

Theoretisch maximumrendement

Het maximale rendement van een silicium zonnecel schommelt rond de 25%. Hoe ver zitten we daar vandaag vanaf?

Vermang: “Neem je het spectrum van de zon dat ons bereikt, en stel daar de maximale elektrische output tegenover, dan zou in theorie zelfs tot 30% mogelijk zijn. Er zijn evenwel enkele verliezen waar rekening mee gehouden moet worden, zoals recombinatie, schaduw- of connectieverliezen. Daarnaast is silicium ook een halfgeleider, die slechts een deel van de ingevallen lichtfotonen kan omzetten in bruikbare elektronen, afhankelijk van het eigen spectrum dat de zonnecel kan opvangen. Bovendien zit er ook nog een zeker verlies op de omzetting van de elektronen naar elektriciteit, dat zich uit in warmteverlies. Die 25% is dus correct in de praktijk. Let wel dat deze limiet enkel geldt voor de traditionele ‘single junction’-zonnecellen. Single junction betekent dat er enkel van één materiaal – bijvoorbeeld silicium – gebruikgemaakt wordt. Deze technologie is vandaag matuur. Bepaalde productiewijzes – zoals de IBC-panelen van Sun Power – zitten al tussen de 22 en 23%. Al gaan zij dan weer een stuk verder dan de traditionele siliciumzonnecel. Zij gebruiken bijvoorbeeld N-type Silicium, niet het alomtegenwoordige P-type. Dat is zeldzamer, waardoor ze zelf heel wat hebben moeten investeren in onderzoek. Dat verklaart ook de prijsverschillen.”

Zijn er dan nog andere manieren om het rendement te boosten?

Vermang: “De bedrijven met de hoogste efficiënties maken slechts een heel klein deel van de markt uit. Aan de andere kant van het spectrum zien we de zeer goedkope serieproductie, waarbij de rendementen vaak navenant zijn. Maar gelukkig zit daartussen een zeer grote groep die andere productiewijzes onderzoekt om het rendement omhoog te tillen, zoals PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), PERL (Passivated Emitter Rear Locally-diffused), PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) en TOPCON (Tunnel Oxide Passivated Contact). Die technologie op een efficiënte, kosteneffectieve op grote schaal inzetten is het voorwerp van heel veel onderzoek. De uitdaging is om de productiewijze van de traditionele standaardsiliciumzonnecel aan te passen om een beter rendement te realiseren. We zien dat zeer grote producenten van standaardpanelen ook panelen ontwikkelen met PERT, PERC of PERL. Deze technologieën maken ongeveer een vierde van de markt uit."

Meerdere procedés

Er zijn diverse populaire procedés om het rendement van pv-panelen te boosten. De meeste werkwijzes proberen om de zogenaamde recombinatieverliezen te beperken. Als elektronen en gaten elkaar tegenkomen (bijvoorbeeld aan defecten in de kristalstructuur), voordat ze de zonnecel verlaten hebben, kunnen ze recombineren. De resulterende energie gaat verloren en kan dus niet omgezet worden in elektriciteit. Een vaak gevolgde weg is om te werken met een gepassiveerde emitter. Stilaan zien we dat ook hier de producenten richting N-type silicium opschuiven. De keuze lijkt dus stilaan gemaakt. Een kort overzicht:

PERC en PERL

Bij PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) wordt er op de achterkant van een zonnecel een passivatielaag (oxide, bv. Al2O3) met openingen voor de contactering aangebracht. Het percentage passivatielaag is heel groot: >95% van de totale oppervlakte. Op deze manier wordt veel recombinatie aan het oppervlak vermeden en wordt de kans aanzienlijk vergroot dat het foton een elektron vrijmaakt – en zo voor elektriciteit zorgt.

PERL (Passivated Emitter Rear Locally-diffused) wordt vaak in één adem met de PERC-methode genoemd. Alhoewel er kleine verschillen zijn in opbouw – met hooggedopeerde lokale contacten – tussen beide methodes, behoren ze duidelijk tot dezelfde familie die werkt op basis van het diëlektricum als passivatielaag.

PERT
Ook PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) past eigenlijk naadloos bij zijn broertjes PERC en PERL. Ook hier is er gebruikgemaakt van een passivatielaag. Het voornaamste verschil is de achterkant van de zonnecellen, dankzij een ander productieproces krijgen zij bij PERT een diffuus oppervlak, waardoor ze minder last hebben van degradatie en ook voor bifaciale panelen ingezet kunnen worden.

TOPCON
TOPCON (Tunnel Oxide Passivated Contact) is een eerder recente innovatie. Het is zowat een combinatie van de technologie van de PERL PERT PERC-types, maar met toevoeging van een aantal verbeteringen. Bij deze methode staan de contacten op de achterkant van de cellen niet in een vast stramien, maar zijn ze eerder diffuus verspreid, waardoor er meer lichtfotonen verwerkt kunnen worden.

Dunne film
Onder de dunnefilmzonnecellen vinden we een groot gamma aan technieken, zoals de CIGS- en CdTe-panelen. Ze zijn populair in BIPV. Deze technieken werken op een compleet andere manier dan de traditionele, op silicium gebaseerde zonnecellen. Het productieproces laat toe om een zeer fijne laag zonnecellen te creëren. Dunnefilmzonnecellen hadden lang de naam om minder rendement te leveren en een stuk milieuonvriendelijker te zijn door het gebruik van onder meer cadmium in bepaalde uitvoeringen, maar de afgelopen jaren werd er toch veel vooruitgang geboekt. Ook hier is er nog heel veel onderzoek lopende.

HIT
Bij panelen van het type Heterojunctie (HIT) ligt er een dun laagje amorf silicium op de buitenoppervlakken van de zonnecollector. Hierdoor gaan er minder elektronen verloren, want een groter deel van het spectrum kan gebruikt worden. Daardoor kan de spanning hoog gemaakt worden. Het gaat hier als het ware om een combinatie van een monokristallijn paneel met de dunnefilmtechnologie. De oppervlakte van de zonnecollector beschikt ook over een piramidestructuur. Hierdoor weerkaatst het zonlicht beter en gaat er minder instraling verloren. Dat is overigens ook het geval bij PERT, PERC en PERL. Silicium is een slechte absorbeerder en heeft altijd optische optimalisatie nodig. Dunne film heeft dat probleem dan weer niet.

Backcontacttechnologie
Zonnecellen die werken op basis van Backcontacttechnologie (Sunpower) werken op basis van de geleidbaarheid van de metalen drager aan de achterkant, waardoor metalen rasterlijnen aan de voorkant niet nodig zijn. Alle contacten liggen dus aan de achterkant. Er is daardoor geen schaduw meer aan de voorkant, waardoor de stroom zeer hoog gehouden kan worden. Momenteel wordt er ook onderzoek gedaan naar de combinatie van deze technologie met de heterojunctietechniek. Onder labo-omstandigheden werd er al een rendement van 26,7% bereikt.

Metal wrap through
Bij het type metal wrap through kunnen, door minieme openingen te maken in de zonnecel, de contacten van de voorkant naar de achterkant gehaald worden. Zo kunnen er zeer esthetische zonnecellen geproduceerd worden. De techniek kan worden gecombineerd met de eerder vermelde PERT PERL PERC-technologie.

Potential Induced Degradation is geen probleem meer bij nieuwe zonnepanelen

PID en rendement

Waarom een duurder paneel kopen? Is een beperkte rendementswinst de meerprijs wel waard?

Vermang: “De focus van de producenten lag jarenlang vooral op rendement. Er is in de beginjaren van de hausse – vanaf 2008 – heel weinig aandacht geweest voor negatieve invloeden. Ik denk bijvoorbeeld aan PID en LID, respectievelijk Potential Induced Degradation en Light Induced Degradation. We stellen tijdens onderzoeken vast dat veel van die panelen over de tijd een zekere rendementsvermindering kennen. Bij nieuwe zonnepanelen zien we dat zij typisch vrij zijn van PID en LID. Dat komt omdat producenten en onderzoekscentra hun focus verlegd hebben. Niet enkel efficiëntie is nu belangrijk, maar ook de interne opbouw van de module en het complete systeem. En het zijn veelal de producenten die vooroplopen in onderzoek, die ook de meest kwalitatieve panelen op de markt brengen. Er is dus wel een link tussen de prijs van een paneel en de totaalkwaliteit.”

Waterstof

Er was eerder dit jaar veel te doen rond het Leuvense waterstofpaneel. Zullen die de traditionele panelen vervangen op termijn?

Vermang: “Ik denk niet dat waterstof op termijn pv zal vervangen, maar dat beide naast elkaar zullen bestaan. Waterstof is een drager, net zoals elektriciteit. Het heeft vooral potentieel om toegepast te worden voor voertuigen en als elektriciteit. Waterstof kent wel enkele specifieke voor- en nadelen. Denk bv. aan veiligheid. De infrastructuur voor elektriciteit is bovendien al volledig aanwezig, voor waterstof is dat nog helemaal niet het geval. De komende 10 à 20 jaar zie ik persoonlijk beide naast elkaar bestaan. We volgen die evoluties, zoals de resultaten van de collega’s uit Leuven met hun waterstofpaneel, met argusogen. Wij zouden met onze expertise ook een mooie bijdrage kunnen leveren, bijvoorbeeld om siliciumzonnecellen van minuscule gaatjes te voorzien, zodat ze als het ware als katalysator werken. Zo kan waterstof uit water gesplitst worden. We hebben al bekeken in hoeverre dit ook op industriële schaal kan werken, en onderzoeken dit verder.”

Bart Vermang ziet plug & play zonne-energie als de toekomst voor pv in gebouwen

BIPV

Ook de verdere integratie van PV in gebouwen komt eraan. Evolueert zonne-energie naar plug & play?

Vermang: “Dat zie ik echt als de toekomst. De vraag vanuit Europa is er wel degelijk om onze gebouwen energieneutraal te maken, en liefst zo snel mogelijk. In ons land uit zich dat in de EPB-regelgeving. Als we die waarde op 0 willen krijgen, dan heb je sowieso een warmtepomp of een pv-installatie nodig. Maar een pv-installatie is niet altijd de meest esthetische oplossing.

Met BIPV evolueren de panelen naar een dubbele functie: enerzijds zonnepaneel, anderzijds bouwelement

Gelukkig zijn er al tussenoplossingen zoals zwarte panelen of geïntegreerde dakpanelen. Maar met BIPV evolueren we echt naar een dubbele functie: enerzijds zonnepaneel, anderzijds bouwelement. Dat kan belangrijke repercussies hebben voor de elektricien. Bouwelementen worden in het begin van het bouwproces geplaatst. Dat is een compleet andere timing dan met de huidige zonnepanelen, die achteraf geplaatst worden. Er komen ook andere factoren bij kijken, zoals de reglementering. Als zonnepanelen de functie van bouwelement krijgen, moeten ze ook voldoen aan de eisen en normen die horen bij het type bouwelement. Tot slot zal BIPV veelal ook plug & play van aard zijn. We zien nu al dat grote zonnecelbedrijven grote dakelementen produceren die enkel ingeplugd moeten worden. De producten zijn er, de prijs zit in de goede richting en het rendement is oké. Het is enkel wachten op de doorbraak op grote schaal.”