Jarenlang onderzoek heeft geleid tot diverse soorten zonnecellen, met verschillende (halfgeleider)materialen. Silicium is het bekendste en meest toegepaste materiaal in zonnepanelen. De klasse van de kristallijn silicium zonnecellen is onder te verdelen in mono- en multikristallijn, ook wel polykristallijn genoemd. Monokristallijn silicium zonnecellen bestaan uit één kristal. Achter glas zien die er donkergrijs of zwart uit. Hoe het totale paneel eruitziet, hangt af van de kleur van het materiaal achter de cellen. Wit materiaal benadrukt de meestal aanwezige smalle ruimtes tussen de cellen. Sommige panelen bevatten bovendien cellen met afgeronde hoeken, waardoor witte ruitvormige vlakjes zijn te zien tussen de cellen. Wanneer zowel de cellen als het materiaal achter de cellen zwart zijn, ontstaan egaal zwarte (all-black) panelen.
Multi- of polykristallijn
Panelen met cellen van multi- of polykristallijn silicium bevatten zonnecellen met vele, onderling verbonden, silicium kristallen. Het is moeilijk dit type cellen er achter glas egaal zwart uit te laten zien. Afhankelijk van het type paneel ogen de cellen meestal donkerblauw of blauwgrijs, met meer of minder duidelijk herkenbare kristalvlakken. Dit materiaal heeft een iets lagere elektronische kwaliteit dan monokristallijn silicium en het rendement van de cellen is ook vaak een paar procentpunten lager. Let wel: dit zegt niets over de betrouwbaarheid of levensduur van de panelen. De panelen zijn doorgaans iets goedkoper (per wattpiekvermogen) dan monokristallijn silicium panelen.
Marktaandeel
Of zulke goedkopere panelen ook een goedkoper systeem en goedkopere zonnestroom leveren, hangt van veel factoren af. Wanneer ruimte beperkt of kostbaar is (of waar het uiterlijk nauw luistert), wordt vaak gekozen voor de efficiëntere monokristallijne siliciumpanelen. Het marktaandeel van multikristallijn silicium daalt wereldwijd snel. Volgens TNO’s recent verschenen whitepaper ‘Zonpositief: Zonne-energie op weg naar impact’ hebben de verschillende soorten silicium PV-panelen samen een marktaandeel van ongeveer 95%.
Rendement zonnepanelen
Het rendement van zonnecellen neemt nog steeds toe dankzij verbeteringen en innovaties in de publieke en private laboratoria. Het wereldrecordrendement voor een zonnecel is 47% (begin 2021). Het werd bereikt door het National Renewable Energy Laboratory (NREL) in de VS. Het gaat hier niet om een eenvoudige zonnecel, maar om een zogenaamde multi-junctiecel waarin 6 verschillende cellen op elkaar zijn gestapeld. De cel werd daarbij niet belicht met normaal zonlicht (‘1 zon’), maar met 143 zonnen (143 x geconcentreerd licht). Het is niet de bedoeling dat dit type cellen op daken wordt gelegd. Het dient als onderzoeksmateriaal dat de mogelijkheden van zonne-energie laat zien. Min of meer vergelijkbare cellen worden wel gebruikt in concentratorsystemen voor zeer zonnige klimaten en in de ruimtevaart. Bron: whitepaper ‘Zonpositief: Zonne-energie op weg naar impact’, TNO (2021).
Enorme prestatie
De focus van het huidige onderzoek ligt met betrekking tot dit type zonnepanelen op een aantal innovatieve materialen, processtappen en celontwerpen. Daarnaast is en blijft rendementsverhoging een belangrijk aandachtspunt. Silicium zonnecellen kunnen in theorie een rendement behalen van ongeveer 29%. In laboratoria is voor kleine cellen inmiddels 27% gerealiseerd, een enorme prestatie. Dit omzetten naar productieschaal is echter nog een uitdaging. Complete, industrieel vervaardigde zonnepanelen halen ruim 22%, en dat kan naar verwachting nog stijgen tot ruwweg 25%. De nadruk van verder onderzoek ligt daarom op het aanpakken van de laatste grote verliespost: de oppervlakken en grensvlakken en met name de contacten, stelt TNO. ‘Daarvoor worden geavanceerde ultradunne lagen ontwikkeld die het mogelijk maken om aan soms schijnbaar tegenstrijdige eisen te voldoen. Verder (mede op basis van deze ultradunne lagen) werkt TNO aan celontwerpen die nieuwe toepassingen met hoge opbrengst mogelijk maken: tweezijdig werkende cellen, achterzijdecontactcellen en bodemcellen voor tandems’, aldus het rapport.
Geïntegreerde oplossingen
Silicium PV-panelen zijn niet alleen geschikt voor de standaardtoepassingen zoals we ze kennen, maar ook voor geïntegreerde toepassingen en vormen van gecombineerd ruimtegebruik. Deze laatste zijn echter nog volop in ontwikkeling. Daarom wordt op dit gebied veel onderzoek gedaan. Denk daarbij aan zonnecellen ‘op maat’ verwerkt in bouwelementen, aan tweezijdig werkende panelen in een verticale opstelling in combinatie met land- of tuinbouw of in geluidsschermen. Maar ook aan lichtgewicht panelen, panelen met een andere kleur of andere patronen en aan achterzijdecontactpanelen waarin de cellen zodanig kunnen worden geschakeld dat ze optimaal omgaan met inhomogene belichting en gedeeltelijke beschaduwing.
Dunne film zonnepanelen
Behalve silicium zonnepanelen zijn er ook verschillende soorten zogenoemde dunne film zonnepanelen, die samen de resterende 5% van de mondiale markt bedienen. Op dit moment zijn de belangrijkste cadmiumtelluride (CdTe) en koper-indium/gallium-diselenide (CIGS), met een bescheiden rol voor dunne film (amorf en microkristallijn) silicium. Dunne film zonnecellen kunnen zowel op glas als op een flexibele drager worden aangebracht. In dat laatste geval ontstaat een zonnefolie. Zonnefolies hebben vele aantrekkelijke verwerkings- en toepassingsmogelijkheden, maar zijn tot nu toe slechts op beperkte schaal commercieel beschikbaar. Dat laat zien dat het niet eenvoudig is om efficiënte, goedkope en betrouwbare zonnefolies te produceren.
Strak uiterlijk
Glas gebaseerde dunne film panelen halen rendementen die niet veel onderdoen voor (of zelfs vergelijkbaar zijn met) multikristallijn silicium panelen. Zij zijn onder meer aantrekkelijk vanwege hun vaak ‘strakke’ uiterlijk, al hebben ze steeds meer concurrentie van egaal zwarte siliciumpanelen. De nu beschikbare zonnefolies halen zulke rendementen nog niet (7 tot 10% is een gangbare range), maar hebben natuurlijk andere voordelen. Wanneer zonnefolies wel op grote schaal beschikbaar komen, zullen ze naar verwachting worden gebruikt voor toepassingen waar buigzaamheid in het eindproduct wordt gevraagd (bijvoorbeeld zonnezeilen). Maar ook als halffabricaat bij de verwerking naar geïntegreerde eindoplossingen, zoals lichtgewicht stroom producerende dakelementen.
Perovskieten
Een nieuwe familie van materialen voor dunne film zonnecellen zijn de perovskieten. Perovskietpanelen zijn nog niet te koop, maar daar zal de komende jaren waarschijnlijk verandering in komen. Perovskieten zijn erg interessant omdat ze kunnen worden geprint op glas of folie en omdat ze geschikt zijn om te combineren met andere materialen. TNO geeft op haar website aan te werken aan panelen en folies met een rendement van 20%, terwijl het wereldrecord perovskiet met 25,5% rendement het wereldrecord van silicium zonnecellen van 26,7% nadert. Volgens onderzoekers is het mogelijk om dunne film perovskiet cellen te stapelen op kristallijn silicium, op CIGS of op een andere perovskiet, om zo tandems te vormen die veel hogere rendementen kunnen behalen dan de losse cellen. Daarmee komen op termijn panelen met een rendement van 30% of meer in zicht.
Wereldrecords gevestigd
Samen met de partners in het Solliance-samenwerkingsverband werden al diverse wereldrecords gevestigd (Tandem doorbraak door Solliance partners - Solliance Solar Research). Ook zou het mogelijk zijn om de panelen of folies lichtdoorlatend te maken, waardoor ze geschikt worden voor onder andere gebruik in stroom producerende ramen. Daarvoor is echter nog meer onderzoek nodig. TNO richt haar onderzoek met dit materiaal vooral op het opschalen van de technologie, zodat die industrieel kan worden geproduceerd en beschikbaar kan komen voor daadwerkelijke toepassing.
