“Kijk daar, het dak van Spectrum”, wijst Erwin Kessels, leider van de onderzoeksgroep Plasma and Materials Processing, vanaf de derde verdieping van gebouw Flux. “Dat staat helemaal vol met zonnepanelen. Prachtig natuurlijk, maar het zijn wel panelen zonder link met het onderzoek dat we hier aan de TU/e doen. En dat terwijl inmiddels in bijna een derde van alle nieuwe zonnepanelen al technologie zit die wij mede hebben ontwikkeld.”

Daarom heeft Kessels, toen er ook zonnepanelen geplaatst zouden worden op Flux, bij Dienst Huisvesting gepleit om daarbij te kiezen voor panelen met een link met de TU/e. “Daarmee kunnen we als universiteit zichtbaar maken wat we doen; dat ons onderzoek bijdraagt aan een duurzamere wereld. Het is zonde om die kans te laten liggen.”

Plasma and Materials Processing is niet de enige onderzoeksgroep van de TU/e die zich bezighoudt met zonnecellen – met name binnen de groep Molecular Materials and Nanosystems van René Janssen vormt zonne-energie ook een belangrijke onderzoekslijn. “Wij zitten echter dichter bij de toepassing”, benadrukt Kessels. Veel van zijn onderzoek richt zich op verbeteringen van de bestaande siliciumtechnologie. Daarbij gaat het bijvoorbeeld om speciale nanolaagjes die het rendement een fractie doen toenemen. “Een procent extra lijkt misschien weinig, maar in geld uitgedrukt is dat in zo’n grote industrie een gigantisch verschil.”

Hieronder een overzicht van de vier typen panelen en achterliggende technologie.

IBC: contacten aan de achterzijde

Het eerste tentoongestelde paneel is ook gebruikt voor de zonnewagen Stella van het Solar Team Eindhoven, vertelt Kessels. “Je ziet dat de cellen helemaal zwart zijn: alle elektrische contacten zitten aan de achterzijde. Interdigitated Back Contact (IBC) wordt dat genoemd. Daardoor vangen ze net iets meer zonlicht. Daarnaast zijn ze bijna zwart, een teken dat ze weinig licht weerkaatsen, wat uiteraard ook gunstig is.” Hij pakt er ter vergelijking een plakje puur silicium bij. “Kijk, dit is een soort spiegel. Om reflectie van zonlicht te voorkomen, hebben alle zonnecellen een antireflectielaag.”

De methode die de fabrikant van deze IBC-panelen, Sunpower, heeft gebruikt om de antireflectielaag aan te brengen, is gebaseerd op een techniek die Kessels als promovendus aan de TU/e zelf nog heeft ontwikkeld - een depositiemethode waarbij een zogeheten expanderend thermisch plasma wordt gebruikt. “Dit zijn de meest efficiënte zonnecellen die je kunt kopen, met een rendement van meer dan 24 procent.”

PERC: efficiënt door passivatie

Het tweede paneel bevat een revolutionaire techniek die PERC wordt genoemd, Passivated Emitter Rear Contact. Dat komt erop neer dat aan de onderkant van de cel een flinterdun laagje materiaal wordt aangebracht, tussen het metaal dat als elektrode dient en het silicium waarin met zonlicht elektronen worden vrijgemaakt. Dat laagje voorkomt dat de vrije elektronen bij de overgang tussen silicium en elektrode verloren gaan.

“Passivatie heet dat proces”, zegt Kessels. “Wij hebben in 2005 aangetoond dat een nanolaagje aluminiumoxide hiervoor heel goed werkt. Dat is toen opgepikt door Q-cells, één van de marktleiders voor zonnepanelen. Een derde van de nieuwe zonnepanelen bevat nu aluminiumoxide. Dat was zonder onze bijdrage wellicht niet het geval geweest,  hoewel je natuurlijk nooit weet hoe de ontwikkelingen anders waren verlopen.”

SHJ: geen direct contact

De derde zonnecel bevat nog geavanceerdere technologie, waarbij de passivatie wordt bewerkstelligd door en reeks dunne lagen zogeheten amorf silicium tussen het kristallijne silicium en de elektrode. “Bij PERC maak je nog een raster van contactpunten, maar bij deze Silicon Heterojunction (SHJ) is er geen enkel direct contact tussen kristallijn silicium en metalen elektrodes.”

De SHJ-cellen op het dak van Flux hebben een rendement van 19 procent, maar het laboratoriumrecord voor deze techniek ligt al boven de 26 procent, legt Kessels uit. “Deze panelen kun je zien als een eerste versie. Zelf hebben we recent een paar projecten gehad met SHJ-cellen, en daar gaan we de komende tijd mee verder. Het is een technologie voor de toekomst.”

Daarbij is het doel volgens hem niet alleen om efficiëntere cellen te ontwerpen, maar ook om ervoor te zorgen dat het eenvoudiger – en goedkoper – wordt om ze te maken. “Je kunt nog zo’n mooie zonnecel maken, maar als het te bewerkelijk is om te produceren, dan is een technologie niet concurrerend.”

CIS: dunne film

Tot slot is er een zogeheten dunnefilmcel, in tegenstelling tot de overige panelen niet gemaakt van silicium, maar van koperindiumselenide (CIS). “Een cel van een paar micrometer dik kan al net zo veel licht absorberen als een tweehonderd micrometer dikke plak silicium. Dit betekent dat het materiaal op flexibele folies aangebracht kan worden, en dat biedt veel mogelijkheden voor toepassingen in de gebouwde omgeving.” Bovendien zijn dunnefilmzonnecellen in principe goedkoper te produceren dan silicium. Vooralsnog leggen ze het met een rendement van zo’n vijftien procent echter nog af tegen siliciumcellen, die de afgelopen jaren sterk in prijs zijn gedaald.

De onderzoeksgroep van Kessels werkt aan dunne lagen om een cel te maken vanuit het CIS-basismateriaal, legt hij uit. “We brengen bijvoorbeeld nanolagen van zinkoxide of aluminiumoxide aan om ladingsdragers uit de cel te collecteren. Dat doen we binnen Solliance, een samenwerking met onder meer TNO en IMEC, met laboratoria op de High Tech Campus.”