Zonne-energie efficiënter dan ooit

Zonne-energie is de goedkoopste en meest toegankelijke vorm van energie. En nu wordt het efficiënter dan ooit. Wetenschappers van het Chinese zonnetechnologiebedrijf LONGi Green Energy Technology Co., Ltd hebben een nieuw type zonnecel ontwikkeld die wel eens voor een doorbraak zou kunnen zorgen in de wereldwijde overgang naar duurzame energie. 

De nieuwe zonnecel is gemaakt van hetzelfde materiaal als 95% van alle huidige zonnecellen, maar presteert veel beter, met een efficiëntie van 26,81%. Deze innovatie onderbouwt de cruciale rol van zonnecellen in de energietransitie. De onderzoeksresultaten worden gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Energy.

De sleutel tot verbetering

Het rapport over deze doorbraak is het resultaat van een unieke internationale samenwerking tussen LONGi –één van ‘s werelds meest toonaangevende producenten van hoogwaardige zonnecellen- in samenwerking met de Sun Yat-Sen University (SYSU) en de Technische Universiteit Delft (TU Delft). Het team optimaliseerde het ontwerp van de zonnecel door gebruik te maken van een sterk verbeterde ‘nanokristallijn-silicium gatencontactlaag’. Zo’n nieuwe laag was al langer bekend als een theoretische mogelijkheid, maar werd nooit eerder succesvol in de praktijk gebracht.

Enorme stap vooruit

Deze nieuwe laag zorgt voor veel minder weerstand in de geleiding van elektriciteit en dit resulteert in een hoger stroomomzettingsrendement dan alle andere soorten zonnecellen op basis van kristallijn-silicium. Onderzoekers van LONGi ontwikkelden deze nieuwe technologie op standaard siliciumwafers van industriële kwaliteit, waardoor de technologie vrijwel onmiddellijk toepasbaar is bij de productie van zonnepanelen. De verbeterde prestaties van deze cel zijn significant in vergelijking met vorige technologieën, en dit zorgt voor een enorme stap vooruit in de omzettingsefficiëntie, van maar liefst 1,5%. “Dit overtreft de prestaties van alle andere kristallijne silicium zonnecelstructuren tot nu toe, die meer dan 95% van de wereldwijd geproduceerde zonnecellen vertegenwoordigen”, zegt Xixiang Xu, vice-president van het LONGi Central R&D Institute.

Meer dan alleen oppervlaktepassivering

Wetenschappers van SYSU hebben geanalyseerd en bestudeerd hoe elektriciteit precies door de nieuwe lagen stroom. Het team keek naar cellen met deze lagen in vergelijking tot cellen zonder deze lagen. Zij ontdekten dat de cellen met de nieuwe lagen beter elektriciteit geleiden omdat zij een lage activeringsenergie hebben als zij precies goed zijn geplaatst. Zij onthulden dat het bulk-Augerproces steeds belangrijker wordt naarmate de oppervlakte-recombinatie afneemt in sterk gepassiveerde silicium heterojunctie zonnecellen. Met andere woorden, de bereikte kwaliteit van de oppervlaktepassivering is zo groot dat de vulfactor en het omzettingsrendement kunnen worden verbeterd. “Onderzoek naar silicium gatcontactlagen met lage activeringsenergie is zeer actueel en uiterst belangrijk. Ons werk vormt een grote vooruitgang in het onderzoek naar de elektrische prestaties van gatcontacten, wat gunstig is voor heterojuncties, hybriden en alle zonnecellen op basis van silicium” zegt Pingqi Gao, professor aan SYSU. Het aantonen van deze zonnecelarchitectuur versnelt de energietransitie aanzienlijk, met de toepassing van efficiëntere fotovoltaïsche modules.

Onwrikbaar vertrouwen in fysische halfgeleiders

Geavanceerde modellering, uitgevoerd door onderzoekers van de TU Delft, speelde een centrale rol bij het realiseren van de innovatie. Met nieuwe modellen kon het team de energiebarrières op de interfaces -die de achterste verbinding van de LONGi-zonnecel vormen-, gedetailleerd in kaart brengen. Op deze manier kon het verzamelpad van gaten over de interfaces worden geanalyseerd, wat de uitstekende prestaties van het apparaat verklaart. “Het is geweldig om in echte apparaten -met een groot oppervlak- te kunnen zien wat we theoretisch hadden voorspeld als de beste combinatie van materiaaleigenschappen voor gat-contactlagen om ideaal gatentransport in dit soort cellen te bereiken”, zegt Paul Procel, postdoctoraal onderzoeker aan de TU Delft. “Het vakmanschap dat LONGi heeft bereikt bij het aanbrengen van ultradunne lagen met fijne controle over hun opto-elektrische eigenschappen is verbluffend. De modellering van hun zonnecellen verlegt de grens van wat we bedoelen met ideale kristallijne siliciumapparaten”, voegt Olindo Isabella, hoogleraar aan de TU Delft, toe.