Een team onderzoekers van het NWO-instituut AMOLF (Amsterdam) en het Fraunhofer Institute for Solar Energy Research (ISE, Freiburg) heeft een zonnecel met meerdere verbindingen gemaakt met een efficiëntie van 36,1%, de hoogste efficiëntie die ooit is bereikt voor een zonnecel op basis van silicium. Het team presenteerde het nieuwe record op de European Photovoltaic Solar Energy Conference (PVSEC) in Lissabon op donderdag 21 september 2023.

Beperkingen van silicium zonnecellen

Zonnecellen en zonnepanelen op basis van silicium worden wereldwijd in een zeer hoog tempo toegepast, maar hun fotovoltaïsche energieomzettingsrendement is fundamenteel beperkt tot 29%. Deze beperking kan worden overwonnen door de zonnecellen te coaten met extra materialen om een “multijunctie” zonnecel te creëren. In een dergelijke geometrie worden meerdere lichtabsorptielagen op elkaar gestapeld, zodat elke laag effectief een specifiek deel van het kleurenspectrum van het zonlicht absorbeert. Dit concept met meerdere lagen kan de efficiëntie van de cel sterk verbeteren.

Nieuwe materialen gecombineerd met een nieuw lichtmanagementontwerp

Het nieuwe record combineert een geavanceerde “silicium TopCon”-zonnecel, een nieuw hoogrendementscelontwerp dat is uitgevonden bij Fraunhofer ISE, met twee halfgeleiderlagen bestaande uit GaInP en GaInAsP die ook bij Fraunhofer ISE zijn ontwikkeld. De laagstapeling wordt vervolgens gecoat met een speciaal ontworpen metaal/polymeer nanocoating, ontworpen op AMOLF en gezamenlijk vervaardigd op AMOLF en Fraunhofer ISE. De backreflector verbetert het vangen van licht in de zonnecel, waardoor het rendement voor het eerst boven de 36% 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.