Nieuw wereldrecord Nederlandse onderzoekers met zonnecel van 36,1 procent

Dat is het hoogste rendement ooit bereikt voor een zonnecel op basis van silicium. Het team heeft het nieuwe wereldrecord deze week gegepresenteerd op de European Photovoltaic Solar Energy Conference (PVSEC) in het Portugese Lissabon.

Beperkingen siliciumzonnecellen
Zonnecellen en zonnepanelen op basis van silicium worden over de hele wereld in een zeer hoog tempo ingezet, maar hun energieconversie-efficiëntie is fundamenteel beperkt tot 29 procent vanwege de zogenaamde Shockley-Queisser-limiet. Deze beperking kan worden overwonnen door de zonnecellen te bedekken met dunne coatings en zo een multi-junctiezonnecel te creëren. In zo’n geometrie worden meerdere lichtabsorptielagen op elkaar gestapeld, zodat elke laag effectief een specifiek deel van het kleurenspectrum van het licht van de zon absorbeert. Dit meerlagenconcept kan het rendement van de zonnecel sterk verbeteren.

Nieuwe materialen
Het nieuwe wereldrecord combineert een ultramoderne silicium TOPCon-zonnecel – een nieuw hoogrendementszonnecelontwerp dat is ontwikkeld bij Fraunhofer ISE – met 2 halfgeleiderlagen bestaande uit de materialen GaInP en GaInAsP die ook bij Fraunhofer ISE zijn ontwikkeld.

De lagenstapeling is vervolgens gecoat met een speciaal ontworpen metaal/polymeer-nanocoating, die is ontworpen en vervaardigd in de cleanroom van AMOLF. Deze lichtreflectie-coating verbetert het invangen van licht in de zonnecel, waardoor het rendement voor het eerst boven de 36 procent uitkomt.

Unieke samenwerking
‘Dit nieuwe record is het resultaat van een unieke samenwerking tussen Fraunhofer ISE en AMOLF die begon in 2020’, duidt professor Albert Polman, die leiding gaf aan het AMOLF-deel van het project. ‘Het Fraunhofer-team is wereldberoemd vanwege de fabricage van ultrahoogrendementszonnecellen op basis van silicium en speciale halfgeleiders zoals GaInP of GaAs. Het AMOLF-team heeft jarenlange ervaring opgebouwd in het optimaliseren van het managen van het licht in zonnecellen. In dit project hebben we deze kennis samengebracht, met dit unieke resultaat. De zonnecellen hebben voor de verschillende verwerkingsstappen tussen Freiburg en Amsterdam gereisd en zo is de volledige zonnecel opgebouwd. Ik denk dat dit de meest efficiënte zonnecel ooit is die met processtappen in Nederland is gemaakt.’

Frank Dimroth van Fraunhofer ISE voegt toe: ‘Het is een geweldige prestatie van de onderzoekers in beide teams om de beste beschikbare processen te combineren om gezamenlijk een nieuw record te realiseren voor het rendement van op silicium gebaseerde multi-junctiezonnecellen. Zowel de nieuwe lichtmanagementcoating van AMOLF als de verbeterde GaInAsP-middencel van Fraunhofer heeft bijgedragen aan dit bijzondere resultaat.’

Nieuwe toepassingen
De nieuwe ultrahoogrendementszonnecellen zijn momenteel duurder om te produceren dan conventionele siliciumzonnecellen, die een rendementsrecord van 27 procent hebben. Het veel hogere rendement van 36,1 procent is volgens de onderzoekers echter een groot voordeel voor toepassingen waarbij de beschikbare ruimte beperkt is en op een klein oppervlak een grote hoeveelheid zonne-energie moet worden opgewekt.

Er zijn toepassingen voorzien in bijvoorbeeld elektrische auto’s op zonne-energie, consumentenproducten en drones. Het nieuwe lichtmanagementontwerp is ook toepasbaar in andere typen zonnecellen, zoals bijvoorbeeld silicium-perovskiet multi-junctiezonnecellen.