Nieuwe halfgeleider kan zonnecellen verbeteren

Onderzoekers zijn erin geslaagd een halfgeleidermateriaal voor fotovoltaïsche cellen te ontwikkelen dat in een enkele laag bijna even goed kan presteren als diverse lagen halfgeleiders in duurdere multijunction-zonnepanelen.

De medewerkers van het Lawrence Berkeley National Lab hebben een halfgeleidermateriaal ontwikkeld dat zich als multijunction-materiaal kan gedragen. Het materiaal is gebaseerd op galliumarsenide, dat normaal vrij energierijke fotonen vergt om energie op te wekken. De onderzoekers van de Solar Energy Materials Research Group, onder leiding van Wladek Walukiewicz, vervingen echter een deel van de arseenatomen door stikstofatomen. Daardoor konden ook fotonen met minder energie elektronen vrij maken, dankzij een cumulatief effect. Zodra voldoende fotonen hun energie hadden afgegeven, kon een elektron de band gap overbruggen.

Fotovoltaïsche cel met triplejunction-halfgeleidermateriaal Zo zou het met stikstof 'vervuilde' galliumarsenide-nitride een breder deel van het spectrum kunnen benutten en zo meer energie opwekken. Het stikstof voegt een derde band gap aan het galliumarsenide toe. Zo fungeert het materiaal met een enkele laag halfgeleidermateriaal in theorie als een multilayer-fotovoltaïsche cel. Het rendement van de fotovoltaïsche cellen is echter nog niet op het gewenste niveau. Dat komt onder meer doordat de energie van de fotonen niet lang genoeg kan worden vastgehouden om samen met de energie van andere fotonen een elektron los te maken. Wellicht kan het doteren van het galliumarsenide-nitride met fosfor dit verhelpen.

De goedkoopste variant fotovoltaïsche cellen die veelal in consumentenproducten worden gebruikt, is opgebouwd uit mono- of polykristallijn silicium. Door gebruik te maken van thin film-technieken kan worden volstaan met minder halfgeleidermateriaal, wat de kosten drukt. Bovendien zijn dan andere photovoltaïsche materialen te gebruiken, wat het rendement kan verhogen. Dit zijn echter halfgeleidermaterialen met een enkele junction, of band gap; alleen fotonen met een bepaalde golflengte of energie kunnen elektronen van de ene valentieband naar de andere stoten, en zo voor het photovoltaïsche effect zorgen en energie opwekken.

De fotovoltaïsche cellen die worden gebruikt in de ruimtevaart en andere toepassingsgebieden waar kosten ondergeschikt zijn, worden opgebouwd uit verschillende lagen halfgeleidermateriaal. Elke laag heeft een eigen band gap, waardoor een breder spectrum van het invallende zonlicht benut kan worden om energie op te wekken. Deze fotovoltaïsche cellen zijn echter, gezien hun complexere samenstelling, duurder dan enkellaagscellen. Cellen met een enkele laag halfgeleidermateriaal en een hoog rendement zouden lage kosten met goede prestaties combineren.

IT-banen

Reacties (35)

Jolke 1 februari 2011 12:56

Dit artikel laat niet weten om welk materiaal het gaat, of om welke efficientie het gaat. Het nieuws direct van het Berkeley Lab laat zien dat meer om een nieuw design gaat (klik). Het wetenschappenlijke artikel meldt dat het om GaN_xAs_1-x - een legering van gallium, stikstof en arseen - gaat met x = 0.024. Er wordt geen waarde voor de efficientie genoemd. Dit komt omdat er nog geen zonnecel van gemaakt is.
De truc van dit onderzoek is dat ze bezig houden het materiaal te optimalizeren. De legering is niet eenvoudig te maken (=duur) en te verwerken - ze gebruikten 'metalorganic chemical vapor deposition' (MOCVD) (=ook duur) - maar het geeft wel een goede efficiëntie door de absorptie in het zichtbare tot infrarode gebied van het licht: 0.8 - 2.5 eV. Dit komt overeen met een golflengte van 500 - 1500 nm. De zon straalt voor een groot gedeelte ook IR licht uit, dus is het erg interessant om dit gebied ook af te vangen. De zonnecel is opgebouwd uit drie lagen die elk in een klein bereik absorberen. Deze combinatie maakt de zonnecel dus efficiënter.

Er zijn voornamelijk twee interesses bij het maken van zonnecellen:

Het hoogste rendement
De laagste kosten

Open deur natuurlijk, maar de combinatie van beiden is beter, maar dat is (nog) niet mogelijk.

Dit artikel beschrijft duidelijk de kant van het optimalizeren van het materiaal, dus het hoogste rendement te behalen.
De andere kant, waar het tweakers-artikel kort op in gaat, is op de koop nemen van een lager rendement, maar het produktie proces goedkoper te maken. Dit wordt voornamelijk bereikt door het aanbrengen van dunne film technieken, bijvoorbeeld het inkjet printen van polymeer zonnecel materiaal. Konarka doet dit voor het maken van bulk heterojunction zonnecellen. Ze verkopen ook tassen met deze roll-2-roll geproduceerde zonnecellen erin, voor 80 euro zag ik laatst.

Minder materiaal in combinatie van goedkopere en flexiblere procestechnieken verlagen de totale productie kosten. Bij een grote afname compenseert dit het lagere rendement t.o.v. betere materialen. Maar goed, bij ruimtevaart kijkt men niet op een dubbeltje of kwartje en dus kunnen ze zich de best materialen veroorloven.

Voor wie zich afrvaagt wat het huidige record voor efficiëntie is: National Renewable Energt Laboratory (NREL) heeft in 2008 een rendement van ruim 40% gehaald. Dit is op lab-schaal en met een gallium/arseen legeringen.

NREL ligt ook in het midden van een woestijn, goede plaats voor dit soort onderzoek

Voor andere materialen en hun rendement, zie hier.

[Reactie gewijzigd door Jolke op 24 juli 2024 10:49]

thoravatahr @Jolke • 1 februari 2011 13:57

Het record ligt inderdaad op 41.3%. De zonnecellen worden hierbij met, tot wel 500 keer, geconcentreerd zonlicht bestraald. Dit is niet te vergelijken met zonnepanelen. De beste zonnepanelen zijn triple junction galium arsenide van iets meer dan 30 %.

EDIT: @ casaubon: precies mijn punt, ik was er vergeten bij te vertellen dat dit tegelijkertijd een van de duurste zonnecellen ter wereld zijn. Om het kleine oppervlakte van de Nuna te bedekken (6m2) betaal je meer dan 5 ton.

[Reactie gewijzigd door thoravatahr op 24 juli 2024 10:49]

Anoniem: 118761 @Jolke • 1 februari 2011 18:42

Dit soort records klinkt altijd prachtig, maar het praktisch nut ervan voor grootschalig gebruik is 0. Dat gallium arseen is enorm duur en enorm smerig spul.

De ontwikkeling in het artikel is dan ook leuk voor de NASA e.d., maar dan houdt het ook op.

6129(15) 1 februari 2011 11:15

Ik hoop dat zonnepanelen (met zonnecellen) hierdoor ook wat makkelijker te recycleren zijn. Want dat is een van de grootste problemen die we nu hebben.

In feite is een zonnepaneel een "downproduct": Ze degraderen tijdens hun levensduur (leveren dus steeds minder energie tijdens hun levensduur.) en de materialen zijn na afloop van het bruikbare leven grotendeels slechts te downcyclen. (Hoewel men hier ook kleine vooruitgangen boekt.) In ieder geval: Zonnepanelen met zonnecellen zijn dikke rotzooi momenteel.

EDIT: Oh en de kleine producten waarin zonnecellen verwerkt zijn zoals die kleine laders. Da's al helemaal een ecologische verschrikking. Die belanden nog vlugger op de afvalhoop.

EDIT 2: Texamicz, je vergeet ook nog dat er naast silicium o.a. cadmium , tellerium, indium, selenium e.d. in zonnepanelen zit. En dat is enorme vuiligheid. De bestaande bedrijven die zonnecellen 'recycleren' zeggen zelf dat ze er moeite mee hebben om het te verwerken.

Goh, en de energie die we nog maar eens moeten verbruiken tijdens het recyclen? Die zullen we ook maar weer vergeten?

Een zonnepaneel levert (vorlopig) op alle vlakken minder op dan dat het aan ons kan geven. Dus ik geloof er ook nog niet in.

[Reactie gewijzigd door 6129(15) op 24 juli 2024 10:49]

Anoniem: 145867 @6129(15) • 1 februari 2011 12:30

Volgens mij zijn zonnepanelen volledig recyclebaar. En oude cellen kun je weer nieuwe van maken?? Dat proces is makkelijker als silicium uit zand halen lijkt mij..

Volgens mij maak je een probleem van niks... Immers de behuizing is vaak van aluminium. En het glas wat erop zit kun je ook recyclen. Het frame ook. etc etc.

Je zou zelfs de cellen kunnen vervangen en de oude cellen inleveren die weer makkelijker om zijn te zetten naar silicium dan zand... Dus krijg je op ten duur een heel mooi proces. Hierbij hoef je de gehele zonnepaneel behuizing niet te recyclen maar behoud je die! Soort van zonnepaneel revisie..

Dit is dus niet het grootste probleem... probleem is de kosten van purificatie van silicium. Als we dat proces goedkoper kunnen maken zijn we er.

Als zonnepanelen eenmaal een punt bereiken waardoor iedereen ze kan kopen staat er straks geen dak meer zonder een paneel.

High-Voltage2 @Anoniem: 145867 • 1 februari 2011 21:20

Waarom zou het makkelijker zijn? Als je nu zand moet smelten of silicum, dat blijft toch gelijk? Je moet beiden opnieuw zuiveren en het zou me niets verwonderen als zand initieel zuiverder is dan gebruikt silicum. Je moet weten dat zuiver silicium niet bruikbaar is in de elektronica, dat moet eerst gedopeerd worden. Daarnaast liggen er nog allerlei metaallagen op, zitten er oxides en andere lagen tussen.

thoravatahr @6129(15) • 1 februari 2011 13:02

Helaas is je statement een urban myth, veel mensen blijven deze bewering herhalen. In werkelijkheid is de Energy Payback Time van zonnecellen 1tot 4 jaar, afhankelijk van het type en de locatie. Dit betekend dat de optelsom van alle energie die nodig is om de zonnecellen te produceren, om de grondstoffen van de zonnecellen te produceren, het vervoer van de zonnecellen en de installatie van zonnecellen binnen 4 jaar wordt teruggewonnen door de opbrengst van de zonnecel. De overige 15-25 jaar is dus pure opbrengst.

Recycling is hier nog niet in meegenomen, maar zoals je al zei, op dit vlak worden ook grote vorderingen geboekt.

6129(15) @thoravatahr • 1 februari 2011 13:53

Ik heb het document gevonden waarin dit gezegd wordt (http://www.nrel.gov/docs/fy04osti/35489.pdf). Maar ik vind niet onmiddellijk concrete bewijzen. Ze citeren wel wat oudere werken en presenteren wat grafiekjes maar... tja, gaan die niet gewoon uit van een theoretisch ideaal? Want het komt nu vooral aan op praktisch handelen en denken.

B.T.W.: hier nog een van mijn info bronnen m.b.t. recycling. http://www.thedailygreen....ar-panel-recycling-460810

thoravatahr @6129(15) • 3 februari 2011 13:26

Hulde, dat je deze info hebt willen dubbel-checken.

Het web is echter misschien niet de beste manier om informatie over dit onderwerp te vinden.

Hierbij wat referenties over dit onderwerp:

Ito, M., Kato, K., Komoto, K., Kichimi, T., Kurokawa, K.
A comparative study on cost and life-cycle analysis for 100 MW very large-scale PV (VLS-PV) systems in deserts using m-Si, a-Si, CdTe, and CIS modules
(2008) Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 16 (1), pp. 17-30. Cited 6 times.

Jungbluth, N.
Life cycle assessment of crystalline photovoltaics in the Swiss ecoinvent database
(2005) Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 13 (5), pp. 429-446. Cited 19 times.

Kato, K., Hibino, T., Komoto, K., Ihara, S., Yamamoto, S., Fujihara, H.
Life-cycle analysis on thin-film CdS/CdTe PV modules
(2001) Solar Energy Materials and Solar Cells, 67 (1-4), pp. 279-287. Cited 15 times.

Meijer, A., Huijbregts, M.A.J., Schermer, J.J., Reijnders, L.
Life-cycle assessment of photovoltaic modules: Comparison of mc-Si, InGaP and InGaP/mc-Si solar modules
(2003) Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 11 (4), pp. 275-287. Cited 20 times.

Frankl, P., Masini, A., Gamberale, M., Toccaceli, D.
Simplified life-cycle analysis of PV systems in buildings: present situation and future trends
(1998) Progress in photovoltaics, 6 (2), pp. 137-146. Cited 22 times.

veel lees plezier!

BadRespawn @6129(15) • 1 februari 2011 13:17

Zonnepanelen met zonnecellen zijn dikke rotzooi momenteel.

Je zal wat meer moeite moeten doen om te overtuigen dat zonnecellen dikkere rotzooi zijn dan traditionele energie.
Je betoog klinkt zo wel heel erg als propaganda vd anti zonnecellen lobby zoals de olie- en nucleaire industrie.

6129(15) @BadRespawn • 1 februari 2011 13:25

kan je me een bron geven? Niet om flauw te doen. Maar dan wil ik me inlezen. Want zulke positieve info heb ik nog niet gevonden. Ik probeer zoveel mogelijk met een korrel zout te nemen want die zonnecellen zijn nu ook booming business. Veel WC-eend verhaaltjes.

EDIT: Ik heb niks met de nucleaire- of olie industrie te maken. Ik voel me ook niet prettig met die energiebronnen. Maar ik ben gewoon bezorgd dat we die dingen niet gaan vervangen door alternatieve die ook slecht zijn. Dat heeft namelijk geen nut.

[Reactie gewijzigd door 6129(15) op 24 juli 2024 10:49]

BadRespawn @6129(15) • 1 februari 2011 14:48

Want zulke positieve info heb ik nog niet gevonden.

Positieve info over zonneenergie?

Die is er wel, en het is heus geen geheim. Maar die kan je natuurlijk altijd afdoen als WC-eend verhaaltjes.

Natuurlijk wil iedereen dat zonnecollector technologie wordt verbeterd en daaraan wordt ook hard gewerkt.
Maar dat wil niet zeggen dat het in z'n huidige vorm grote rotzooi is, zeker niet grotere rotzooi dan olie of steenkolen.

Een aspect dat vaak onderbelicht blijft is dat er bij zonneenergie geen kosten zijn voor de winning en het transport van de brandstof (zonlicht). Om de brandstof om te zetten in nuttige energie moeten natuurlijk wel kosten worden gemaakt, maar dat is ook het geval met traditionele vormen van energie.

Misschien kan dit je inspireren:
http://www.new-energy.tv/

EDIT: Ik heb niks met de nucleaire- of olie industrie te maken.

Jij niet, maar je argumenten wel. Die worden door de PR industrie in opdracht van bepaalde draagkrachtige belangen de wereld in geholpen net als bvb mbt global warming denial - dat zijn ahw ook WC-eend verhaaltjes.

Anoniem: 118498 @6129(15) • 1 februari 2011 11:36

Daarbij kost de productie van deze kleine laders meer energie, dan ze ooit in hun technische levensduur zullen opwekken

VNA9216 @Anoniem: 118498 • 1 februari 2011 12:21

Daar komt bij dat ze vaak uberhaupt al niet werken

rud @6129(15) • 1 februari 2011 21:00

Zonnepanelen degraderen inderdaad. Maar ik vind toch dat je erg overdrijft. Mijn zonnepanelen hebben 25 jaar garantie. Na die 25 jaar moeten ze nog 80% opbrengen van de startspecificatie. Zo niet dan worden ze gratis vervangen.

Verder zijn zonnepanelen juist uitstekend te recyclen. Het silicium wordt gebruikt om weer nieuwe cellen van te maken. De aluminium omlijsting wordt, net als al het andere aluminium, hergebruikt. Blijft over de kit en de plastic achterkant.

Auto's en wasmachines zijn prachtige voorbeelden van apparaten die steeds meer energie leveren. Oh nee, die verbruiken alleen maar energie. En ook de fabricage daarvan kost enorm veel energie. Bij zonnepanelen is na +/- 3 jaar de hoeveelheid opgewekte energie meer dan wat er nodig was voor de productie.

Mag ik even een link naar een onafhankelijke studie waaruit blijft dat zonnepanelen enorme vuiligheid zijn?

Om in jouw stijl te blijven: de Toyota Prius is natuurlijk veeel vervuilender dan een Hummer. Sleep tight. Don't let the bed bugs bite.

[Reactie gewijzigd door rud op 24 juli 2024 10:49]

ravenamp @6129(15) • 2 februari 2011 09:32

@Lorefice: En in batterijen en accu's zit zeker geen rotzooi?
Het duurt misschien eventjes, maar zonnepanelen kunnen wel degelijk uit, volgens mij zelf ruim binnen 10 jaar en ze gaan maar marginaal minder opbrengen. De moderne zonnepanelen zouden ook minstens 25 jaar mee moeten gaan.

[Reactie gewijzigd door ravenamp op 24 juli 2024 10:49]

zonneschijn 1 februari 2011 11:33

@Lorefice

Een zoonecel zal mogelijk niet (makkelijk) hergebruikt kunnen worden, maar aan een zonnepaneel zitten wel herbruikbare materialen: alu strips, glas, kabels etc.

koudepinda @zonneschijn • 1 februari 2011 12:13

ow yeah.... een fractie van het totaal. en dan ook nog eens de materialen die het minst vervuilend zijn....

lorefice heeft hier groot gelijk. mensen kijken niet naar het grotere plaatje. de productie van zonnepanelen is al vervuilend, en na een aantal jaar is dat paneel zover gedegradeerd dat he onrendabel is om hem te blijven gebruiken.

volgende probleem is dan... 'nu moet ie weg' groot deel van het ding is niet te recyclen, dus weer een schep vervuiling boven op de vervuiling die al bij de productie is gemaakt.

Anoniem: 145867 @koudepinda • 1 februari 2011 12:34

De productie is inderdaad vervuilend. Dit komt door het zuiveren van silicium. Dit kost enorm veel energie. Als we zo'n fabriek nou in de Sahara zetten.. ( Israël een goede plek om te beginnen??)

"na een aantal jaar" bedoel je hierbij 20? 40? of..

Mag jij mij vertellen wat er aan zo'n paneel niet te recyclen valt.... (ligt eraan hoe je hem bouwt en welke materialen je gebruikt toch?)
Cradle to cradle gedachte...

Anoniem: 120539 @Anoniem: 145867 • 1 februari 2011 12:54

Israël ligt best ver van de Sahara...

BadRespawn @koudepinda • 1 februari 2011 15:00

volgende probleem is dan... 'nu moet ie weg' groot deel van het ding is niet te recyclen, dus weer een schep vervuiling boven op de vervuiling die al bij de productie is gemaakt.

Alles vervuilt, alles is "dikke rotzooi".

Maar het is wel relevant dat sommige zaken meer vervuilen dan andere, dus zonder verdere specificatie is alleen maar suggestief om te zeggen dat iets vervuilt of dikke rotzooi is.

En waarom suggestief zijn als het gaat over zoiets concreets als technologie en economie?

rud @koudepinda • 1 februari 2011 21:03

Waar haal je de onzin vandaan dat een zonnepaneel al na een aantal jaar zover is gedegradeerd dat het onrendabel is?

Hieruit blijkt volgens mij dat jij geen zonnepanelen hebt. Bij de mijne wordt na 25 jaar 80% rendement beloofd. Zo niet dan worden ze gratis vervangen. En de oudste nog steeds werkende zonnecel is 65 jaar. Nu jij weer.

Anoniem: 80466 1 februari 2011 11:50

Multijunction celllen van GaAs zijn enorm duur. die worden alleen ingezet in de ruimtevaart of tijdens solar car wedstrijden (als het team een topsponsor heeft).

De in het artikle beschreven techniek kan mogelijk de kosten van hoogrendements mutijunction cellen terugbrengen maar zal door het gebruik van GallliumArsenide duur blijven en daarmee toch geen zinvolle oplossing zijn voor breed in te zetten commerciele zonnecellen.

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 80466 op 24 juli 2024 10:49]

Ryaka @Anoniem: 80466 • 1 februari 2011 12:18

Ze zullen waarschijnlijk duur blijven, maar als ze door maar één laag te moeten doperen ipv 3 of 4 wel die factor 3/4 goedkoper worden kunnen ze competitief worden en bruikbaar in commerciele producten.

elteck @Anoniem: 80466 • 2 februari 2011 07:55

Dat hoeft helemaal niet. Want als ze in staat zijn om dat rendement met een hele dunne laag te halen, dus dunne film techniek, dan worden de kosten fors lager. Daar hint het artikel wel naar.
Een groter bezwaar van GaAs is dat ze het zwaar giftige Arsenicum gebruiken. Ik weet niet of ze daar een goede oplossing voor hebben.

thoravatahr 1 februari 2011 12:53

De theorie van de zogenaamde intermediate band gap zonnecellen bestaat uit fundamentele misvattingen. Het idee is om de hoge stroom van zonnecellen met kleine band gap te combineren met de hoge spanning van zonnecellen met een grote band gap.

Echter een eenvoudige verkenning van de verliezen in een intermediate band gap zonnecel zal je leren dat het andersom werkt. Het zal de lage spanning van zonnecellen met een kleine band gap combineren met de lage stroom van zonnecellen met een grote band gap.

De reden is dat het introduceren van een intermediate band gap een zeer effectief verliespad oplevert. Electronen recombineren makkelijker met de gaten als ze een tussenstapje kunnen maken. Dit effect is veel sterker dan de generatie van electronen en gaten, omdat hierbij de twee fotonen precies op het juiste moment en op dezelfde plek moeten arriveren om het electron eerst naar de intermediate band gap te promoveren en door de tweede foton direct (voordat het recombineert) naar de conductieband te laten springen. De recombinatie via de intermediate band vereist helemaal niet dat deeltjes op hetzelfde moment op dezelfde plek zijn.

Het artikel levert een mooi verkooppraatje voor deze technologie, maar mijn tip is: investeer hier niet in

elteck @thoravatahr • 2 februari 2011 08:00

Damn! Je hebt helemaal, maar dan ook helemaal gelijk! De moderators mogen je wel wat meer punten geven.

Die recombinatie snelheid is temperatuur afhankelijk, ik meen dat dat de rede was achter die combi van water / elektriciteits panelen, om zo de temperatuur laag te houden.

A4-tje 1 februari 2011 16:50

ze zijn flink bezig om goedkopere/betere zonnencellen te maken. maar hoe is ondertussen de verhouding zonneboiler-zonnencellen?
welke is in het voordeel in nederland? want de getallen zijn heel leuk maar de praktijk moet zich nog maar bewijzen in NL.

rud @A4-tje • 1 februari 2011 21:07

Ik heb de studie niet bij de hand maar zonnecollectoren leveren ongeveer evenveel energie per m2 als zonnepanelen. De output is verschillend: warmte versus elektriciteit. Waar heb je de meeste behoefte aan?

Een zonneboiler heeft onderhoud nodig. Er zitten mechanische componenten zoals pompen in. Zonnepanelen zijn zonder bewegende delen en gaan minder snel defect.

Zonnepanelen zijn de afgelopen 10 jaar +/- 40% goedkoper geworden. Zonneboilers zijn nauwelijks in prijs gedaald.

DCG909 1 februari 2011 11:10

Dit brengt echt veel meer mogelijkheden voor zonnecellen.
Over een paar jaar heb je bij je laptop een zonnecollectortje zitten zodat je buiten ook stroom hebt.