Zullen dunnefilmzonnecellen ooit kristallijn silicium inhalen?

“Denken mensen dat de kristallijne siliciumtechnologie de weg heeft vrijgemaakt voor de dinosauriërs?” Dit is een vraag die medeoprichter van SunPower, Dr. Dick Swanson presenteerde dit jaar aan het publiek op de 40e jaarlijkse Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). Sinds kristallijne siliciumcellen begin deze eeuw voor het eerst in massaproductie gingen, zijn de kosten aanzienlijk gedaald. Er is nu ook een stroom aan onderzoeksfinanciering voor nieuwe dunnefilmmaterialen en zonnecellen van de derde generatie.

dr. Zhao Jianhua van UNSW heeft al 15 jaar op rij consequent nieuwe efficiëntierecords behaald voor kristallijne siliciumcellen, maar zou de technologie binnenkort zijn hoogtepunt kunnen bereiken? Er zijn mensen die zulke twijfels hebben, maar ik was ervan overtuigd dat de wereld aan het einde van PVSC 2014 met nieuwe ogen naar kristallijn silicium PV zal kijken.

Hoewel de dinosaurusmetafoor vergezocht is, zijn kristallijne siliciumcellen feitelijk de oudste PV-technologie die ooit in de praktijk is gebracht. 60 jaar geleden, op 25 april 1954, kondigde Bell Labs het eerste praktische zonnecelproduct aan, “The Bell Solar Battery”, dat was gebaseerd op kristallijn silicium. Voor zijn rol bij de totstandkoming van deze uitvinding kende het PVSC-organisatiecomité de Special Contribution Award toe aan Dr. Morton Prince en bedankte hem als een “echte pionier in de fotovoltaïsche industrie” die een ongelooflijke inzet en enthousiasme heeft getoond voor de zaak van PV-onderzoek.

Morton Prince ontvangt de Special Contribution Award op PVSC 2014

Hoewel de efficiëntie van siliciumzonnecellen in de zestig jaar sinds de uitvinding van de Bell-zonnebatterij is blijven verbeteren, is het gebruik van kristallijn silicium – een relatief duur materiaal om te produceren – vaak in twijfel getrokken. Nu dunne-film-PV-technologieën steeds meer terrein winnen, ontstaat er een wijdverspreide discussie over wanneer de efficiëntie van dunne-film-PV-technologieën die van kristallijn silicium zou overtreffen. Maar hoewel dunnefilmcellen hun onmiskenbare voordelen hebben, lijkt het nu duidelijk dat ze kristallijn silicium niet snel zullen vervangen.

Volgens de efficiëntietabel van de PV-technologie van het National Energy Laboratory (NREL) van de Verenigde Staten (hieronder) hebben de meeste PV-technologieën de afgelopen tien jaar consequent hun eigen records gebroken; Naast kristallijn silicium omvatten deze technologieën dunnefilmsilicium (amorf silicium), CIGS, CdTe, GaAs, meervoudige cellen en kleurstofgevoelige technologie en, meer recentelijk, perovskietmaterialen. Maar de efficiëntie van kristallijne cellen dient op betrouwbare wijze als een industriële benchmark die deze concurrenten allemaal proberen te overtreffen. Kristallijne siliciumcellen zijn voorop gebleven dankzij nieuwe productiemethoden en celontwerpkenmerken die van het laboratorium naar de productielijn worden overgebracht.

Uiteraard wordt er onderzoek gedaan naar de efficiëntie van kristallijn silicium. SunPower, wiens technologie een directe afstammeling is van zijn IBC-opvolger, kondigde zijn nieuwste celefficiëntie van 25% aan met behulp van 145 μm dik n-type CZ-silicium in zijn SunPower Maxeon Gen III-productielijn. Bij het testen van een lichtontvangstoppervlak van 121 cm2 werd deze efficiëntie bevestigd door derden van Fraunhofer ISE.

Sharp, dat ervaring heeft met de productie van IBC-cellen en dunnefilm-siliciumcellen, kon zijn record breken door deze twee te combineren om een ​​HBC-heterojunctiecel met achtercontact te creëren en 25,1% te behalen, zoals bevestigd door het Japanse JET-laboratorium.

Panasonic overtrof echter beide en presenteerde zijn nieuwe efficiëntierecord tijdens de laatste sessie op dinsdag van de conferentie aan een bomvolle conferentiezaal vol mensen die hun nieuwe technologie kwamen bekijken. De Panasonic HIT-cel combineert met een IBC-fase die gebruik maakt van 150 μm dik n-type CZ-silicium om een ​​efficiëntie van 25,6% te bereiken op een lichtontvangstoppervlak van 143,7 cm2. Deze efficiëntie is met maar liefst 0,9% verbeterd sinds 2013, toen de HIT-cellen van het bedrijf 24,7% efficiënt waren. Dit markeert ook het 15e jaar van stille efficiëntieverbeteringen voor zonnecellen van monokristallijn silicium – een stijging van 0,6% ten opzichte van het voorgaande jaar. De efficiëntiemeting werd uitgevoerd door een extern laboratorium, AIST, in Japan.

NREL’s nieuwe efficiëntietabel. De blauwe lijnen tonen de nieuwste kristallijne siliciumresultaten van SunPower en Panasonic.

Hoewel deze technische prestaties (IBC, HIT en combinatie van HIT en IBC) zich nog in het laboratoriumstadium bevinden, vertegenwoordigen ze niettemin een haalbare maatstaf voor de industrie – vergelijkbaar met de richtlijnen die de PERL-cel voor de industrie biedt. Het belang van deze mijlpalen in termen van waar ze passen in de routekaart voor kristallijne siliciumceltechnologie kan niet worden genegeerd. Een uitwisseling met intoPV.com en een aantal productiebedrijven vorig jaar stond vol met discussies over keuzes voor technologieën van de volgende generatie: zou IBC regeren of zou HIT? De introductie van een van deze technologieën zal leiden tot aanzienlijk hogere efficiënties vergeleken met conventionele celstructuren. En tot nu toe kunnen fabrikanten alleen met HIT of IBC massaproductie realiseren. Het lijkt er nu echter op dat IBC en HIT mogelijk niet geheel onverenigbaar zijn. Bovendien zouden de nadelen van HIT, zoals de absorptie van front-TCO en de passivatielaag, grotendeels kunnen worden ondervangen door de combinatie van de IBC-structuur. Zullen de twee samenkomen en zal de kristallijne siliciumtechnologie de ultieme oplossing voor alles zijn? Alleen de tijd kan het leren.

Ten slotte is het vermeldenswaard dat SunPower en Panasonic hun vertrouwen hebben uitgesproken dat hun celefficiëntie zal stijgen tot 26 procent, en dat aantal komt overeen met wat Dr. Swanson in 2005. Het lijkt erop dat de efficiëntie van de concurrentie tussen bedrijven ook zal blijven bestaan.