Ralph Houben wil zonnecelproductie opschalen met nieuwe ALD-techniek: ‘Het kan ook anders’

Hoe ben je in de energietransitie terechtgekomen?
‘Ik deed mijn bachelor en een dubbele master aan de Technische Universiteit Eindhoven: technische natuurkunde en nucleaire fusie. Daarbij heb ik me verdiept in plasma fysica, de vierde toestand van materie naast vast, vloeibaar en gas. Eerst deed ik onderzoek naar het creëren van nieuwe brandstoffen met plasma’s uit CO₂, daarna naar fusie-energie. Ik was dus al die tijd bezig met hoe je plasma’s kan gebruiken om de energietransitie op gang te brengen.’

Wanneer kwam de stap naar pv?
‘Na mijn studie. Ik zag dat de productie van dunne lagen, zoals bij computerchips, ook vaak met behulp van een plasma gebeurt. Deze lagen zijn cruciaal voor de efficiëntie van zonnecellen, en trouwens ook batterijen. Ik vond het heel leuk om mijn expertise daarin toe te passen. Kernfusie klinkt heel spectaculair, maar dat is nog minimaal 40 jaar weg voordat het gaat werken. Ik vond het ook leuk om in een industrie te zitten die al volop succes beleeft, en om daar juist vernieuwing in te brengen.’

Wat is een plasmabron?
‘Plasma zit op heel veel plekken: in onweer, in een tl-lamp, ook in een EUV-machine van ASML. De simpelste techniek: je hebt een gas waar je een elektrisch veld op aanlegt. Dat versnelt vrije elektronen, die er altijd zijn. Deze botsen op moleculen, waardoor meer elektronen loskomen. Hierdoor wordt het gas geladen en gaat op dat veld reageren. Wij werken met een hoog voltage om zo’n plasma op te wekken. De elektronen versnellen daardoor hard, botsen tegen moleculen, maken ze kapot, bijvoorbeeld zuurstof, O₂, wordt twee O. Het gas wordt dus reactief - zonder dat het zelf echt heet wordt.’

Hoe ben je in jouw huidige PhD-onderzoek beland?
‘Ik kende de vakgroep Plasma & Materials Processing (PMP) al. In Eindhoven wordt al tientallen jaren onderzoek gedaan naar de productie van zonnecellen. Zo bracht de vakgroep een antireflectielaag van siliciumnitride aan met een lagedruk plasma. Daarnaast werd atomic layer deposition (ALD) ook voor de productie van zonnecellen toegepast, zoals een passivatielaag van aluminiumoxide. Nu willen we onze kennis over de zonnecel zelf en over productietechnieken met een nieuwe plasmabron samenbrengen. Zo kunnen we zonnecellen met een hogere productiesnelheid coaten met dunne lagen. Dat is de kern van mijn onderzoek, binnen het nationale onderzoeksprogramma SolarNL.’

Wat zie jij als de toegevoegde waarde van SolarNL?
‘Als je 41 promovendi hebt die aan heel verschillende dingen werken die belangrijk zijn voor de zonnecelindustrie, krijg je een compleet pakket. Aan de ene kant kijk je naar de nieuwste manieren om een zonnecel te ontwerpen: welk dun laagje moet waar? Aan de andere kant kijk je naar hoe je een zonnecel het beste in een gebouw integreert, en hoe je dat dan ook daadwerkelijk gaat maken, met wat voor machines. Daar zit best veel innovatie in. Dat heeft denk ik een grote meerwaarde voor onze pv-industrie, in Nederland en de rest van Europa.’

ALD wordt al op grote schaal gebruikt in de productie van zonnecellen...
‘Dat klopt. Er zijn megafabrieken, vooral in China, waar ALD wordt toegepast bij lage druk: grote vacuümovens waar heel veel zonnecellen ingaan. Die worden afgepompt, waarna om de beurt een precursor - een reactief gas of damp - en water worden toegediend. De precursor blijft op de zonnecel-wafer plakken maar reageert niet met zichzelf. Daarna activeert het water het oppervlak weer. Wij willen laten zien dat het ook anders kan.’

Wat is die nieuwe methode waar jij aan werkt?
‘Wij willen de precisie van ALD combineren met de voordelen van werken bij atmosferische druk. Bij conventionele ALD moet de reactor steeds worden afgepompt en weer gevuld met gas. Dat kost tijd en beperkt de productiesnelheid. Bij spatial ALD hoeft dat niet: de zonnecel beweegt continu door verschillende reactiezones. Daardoor kunnen we veel sneller produceren. Een tweede voordeel is het gebruik van plasma om het oppervlak te activeren, iets wat lastig is in grote vacuümovens. We brengen eerst een precursor aan die niet met zichzelf reageert, en activeren het oppervlak vervolgens met het zeer reactieve plasma. Zo kunnen we bij relatief lage temperaturen toch reacties laten plaatsvinden die normaal gesproken een hogere temperatuur zouden vereisen. Dat is interessant omdat je het oppervlak zo kunt behandelen zonder de zonnecel onnodig thermisch te belasten of te beschadigen.’

Is dat dan ook energiezuiniger?
‘Een hele kamer op vacuüm brengen en alles verhitten kost veel energie, tijd en dus geld. In die zin denken we dat het efficiënter kan. Maar er zijn ook dingen waar je op moet letten: bij atmosferische druk neemt het gebruik van zo’n precursor en andere gassen flink toe, en zo’n chemisch product is ook niet gratis.’

Werkt dit ook voor perovskietzonnecellen?
‘Nu ligt de focus op silicium. We gaan ook kijken naar toepassingen op perovskiet, maar dat materiaal is heel kwetsbaar. Zelfs een reactief plasma bij atmosferische druk kan het beschadigen. Daarom is het belangrijk om eerst goed te onderzoeken wat dat plasma precies doet op het oppervlak, voordat je het daarop loslaat.’

Hoe fundamenteel is jouw onderzoek eigenlijk?
‘We werken met een R&D-product van het bedrijf SALD. Verder werken we met het bedrijf SparkNano, dat ook deelneemt aan SolarNL. Zij maken de tools en wij proberen wetenschappelijk te begrijpen wat voor deeltjes we in het plasma precies maken en waarom dat zo reactief is. Dat is vrij fundamenteel, maar we communiceren onze bevindingen terug, zodat zij hun machines kunnen verbeteren. Het is de fundamentele wetenschap van de maakindustrie.’

Hoe ver ben je met je onderzoek en wat wil je aan het eind bereikt hebben?
‘Mijn PhD duurt 4 jaar, ik zit nu op 2,5 jaar. Ik denk dat we een nieuwe productietechniek kunnen aantonen: fundamenteel laten zien wat deze te bieden heeft, en dat we er bruikbare dunne lagen mee kunnen maken. Mijn doel is een mooie basis maken voor andere onderzoekers die nieuwe zonnecelontwerpen ontwikkelen en straks kunnen kijken of deze schaalbare techniek hun ontwerp kan maken.’