Universiteit Leiden helpt fabrikanten milieuvriendelijke zonnepanelen te ontwerpen

Het onderzoek moet eraan bijdragen dat de zonnepanelen van de toekomst geen of zo min mogelijk giftige stoffen bevatten en dat de productie van de zonnepanelen zo weinig mogelijk energie kost.

Efficiëntere zonnecellen
‘Ons onderzoek helpt ontwikkelaars bij het kiezen van de meest duurzame weg naar een betere toekomst die is gebaseerd op duurzame energie,’ vertelt eerste auteur Carlos Felipe Blanco over de publicatie van het onderzoek in het vakblad Energy & Environmental Science. ‘Om de volledige milieu-impact van een nieuwe technologie te bepalen, moet je kijken naar de volledige levensduur, van productie tot afval.’

De huidige zonnepanelen zijn meestal gemaakt van silicium. Dit materiaal is volgens de onderzoekers goedkoop en niet giftig, maar niet erg efficiënt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Een nieuwe geavanceerde technologie – de zogeheten III-V-siliciumtandemzonnecellen – kan dit een stuk efficiënter. Naast silicium bevatten deze panelen zeer dunne lage van elementen als gallium, indium en arseen, waardoor ze bijna 50 procent meer elektrische energie kunnen opwekken. Sommige van de deze elementen zijn echter giftiger en om ze aan te brengen op de zonnecel zijn hoge temperaturen nodig, wat volgens de onderzoekers van de Universiteit Leiden en het Duitse Fraunhofer ISE grote hoeveelheden energie kost.

Grootste milieu-impact door steenkoolcentrales
De zonnepanelen met III-V-zonnecellen bevinden zich nog in een vroeg stadium van onderzoek en ontwikkeling en worden nog niet op grote schaal toegepast. ‘We hebben de potentiële milieu-impact bepaald voor elk stadium in het “leven” van deze geavanceerde cellen’, legt Blanco uit. Op die manier ontdekten de onderzoekers dat de grootste milieu-impact voortkomt uit het feit dat ze geproduceerd worden met elektriciteit afkomstig uit centrales. Zeker wanneer deze centrales nog steeds afhankelijk zijn van steenkool. ‘Dat heeft niet alleen invloed op het klimaat door de uitstoot van CO2, maar de giftige dampen die vrijkomen zijn ook op andere manieren schadelijk voor het milieu.’

Energiezuiniger productieproces
Frank Dimroth van het Fraunhofer ISE voegt hieraan toe: ‘Deze impact kunnen we verkleinen door een energiezuiniger productieproces en natuurlijk door te streven naar meer duurzame elektriciteit. Het is verbazingwekkend om te zien dat de milieu-impact van een nieuwe zonneceltechnologie afhangt van de manier waarop we op dit moment onze elektriciteit uit fossiele brandstof produceren.’

De onderzoekers stellen dat er bij de nieuwe technologie – dankzij het hoge omzettingsrendement van de zonnecellen – uiteindelijk minder materialen nodig zijn per eenheid opgewekte elektriciteit. Blanco: ‘Continue innovatie en meer energie-efficiënte technologieën kunnen de milieu-impact van zonnecellen dus zeker verlagen.’

Afwegingen
Blanco en zijn collega’s gebruikten verschillende modellen met allerlei mogelijke scenario’s – van meer innovatief tot conservatief. ‘Door zorgvuldig te framen en een ongekende mate van detail in onze modellen, konden we zeer specifieke richtlijnen opstellen voor technologieontwikkelaars en beleidsmakers. We zagen dat sommige dingen er echt toe doen, maar ontdekten ook dat andere zaken er veel minder toe doen dan we in eerste instantie dachten.’

Zo vormde het gebruik van gallium en arseen volgens de onderzoekers uiteindelijk geen groot probleem voor het milieu op het gebied van giftigheid of uitputting van grondstoffen. Er zijn namelijk slechts zeer kleine hoeveelheden nodig en ze komen niet snel in het milieu terecht.

Complexe klus
Het ontwerpen van nieuwe technologieën met het oog op duurzaamheid is een complexe klus, met tal van onvoorziene afwegingen. Blanco: ‘Het is zeer belangrijk dat we zorgvuldig en systematisch nadenken over de gevolgen van onze beslissingen. Dat vereist een grote hoeveelheid data en modellen, maar helpt ons uiteindelijk om processen en apparaten zo te engineeren dat we schadelijke effecten voorkomen. Als we alleen kijken naar de potentiële problemen van een nieuwe technologie missen we wellicht belangrijke kansen in de toekomst.

‘We kunnen nu met vertrouwen zeggen dat de III-V-siliciumtandemzonnecellen een grote potentie hebben om de efficiëntie in de toekomst te verhogen. Zo zijn er minder materialen nodig en is er uiteindelijk minder impact op het milieu. We hopen dat deze technologie snel werkelijkheid wordt.’