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.

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 procent – 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. De uitdaging is om het rendement van de zonnecel te verhogen terwijl je de productiekosten laag houdt, zodat zonne-energie steeds goedkoper wordt.

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.

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 procent, net zo hoog als de beste zonnecellen die in andere laboratoria gemaakt worden.