Snel lezen

  • Zonnepanelen voor de prijs van dubbel glas
  • Hoger rendement is maar het halve verhaal

Een verkorte versie van dit artikel is gepubliceerd in NRC van zaterdag 3 mei 2014

Door invallend zonlicht beter te benutten, kan het rendement van zonnecellen meer dan verdubbelen, terwijl de kosten van een paneel niet veel hoger hoeven te zijn dan die van dubbelglas. Daardoor daalt de prijs van elektriciteit uit zonlicht tot minder dan 5 cent per kilowattuur, vergelijkbaar met die uit steenkool. Maar is dat de beste strategie?

Vorig jaar is er wereldwijd, maar voornamelijk in China, ongeveer 40 gigawatt (GW) aan zonnepanelen geproduceerd. Bij volle zon is dat ongeveer twee keer het vermogen van alle in Nederland opgestelde (fossiele) elektriciteitscentrales. In Nederland ongeveer 700 megawatt (MW) aan zonvermogen opgesteld, goed voor 0,5 procent van het elektriciteitsverbruik.

Schaalvergroting, efficiëntere fabricage en moordende concurrentie hebben de prijs zonnepanelen op het dak de laatste jaren met een factor drie doen dalen. Daardoor bedragen de kosten voor het opwekken van zonnestroom in Nederland nu 15 a 20 cent per kilowattuur (kWh). Dat is minder dan de consumentenprijs, maar nog altijd drie tot vier keer duurder dan de kostprijs van elektriciteit uit steenkool.

Opmerkelijk is dat het rendement van de huis-, tuin- en keukenzonnecel niet evenredig is gestegen. In het laboratorium staat het record voor silicium zonnecellen al vijftien jaar op 25 procent. In commerciële panelen is het rendement wel iets gestegen, van rond 13 procent in 2000 rond de 17 procent nu, maar zeker niet met een factor drie.

Spekkoek

Er zijn wel zonnecellen die een hoger rendement halen (het record is 44,7 procent), maar die bestaan uit verschillende laagjes exotische materialen zoals galliumarsenide en indiumfosfide, die als spekkoek op elkaar zijn gestapeld. Het rendement is zo hoog omdat elk van die materialen een andere kleur van het spectrum van zonlicht voor zijn rekening neemt. Ze worden vooral gebruikt in de ruimtevaart en in panelen die als een zonnebloem de zon volgen, maar voor op het dak zijn ze veel te duur.

Zelfs de beste zonnecellen komen nog niet in de buurt van het theoretisch rendement van 86 procent, waarmee licht in elektriciteit kan worden omgezet, zegt Harry Atwater, directeur van het Resnick Institute voor duurzame energie van het prestigieuze CalTech. Volgens hem moet 50 tot 70 procent haalbaar zijn. Samen met Albert Polman, onderzoeksleider bij AMOLF in Amsterdam doet hij onderzoek naar ‘fotonenbeheer’. Polman: ‘Door het licht slimmer te “managen”, kun je veel dichter in de buurt van het theoretisch rendement komen dan nu het geval is.’

Hogere rendementen zijn alleen mogelijk bij gebruik van verschillende materialen. Met silicium bijvoorbeeld kun je theoretisch een maximum rendement halen van iets minder dan 30 procent.  Dat komt omdat maar een deel van het kleurenspectrum van zonlicht wordt omgezet in elektriciteit. Infrarood licht gaat er onverrichter zake doorheen, terwijl de energie van blauw en ultraviolet licht maar voor een deel wordt omgezet.

Wat voor silicium geldt, geldt ook voor andere materialen. Stapelen van meerdere (vaak exotische) materialen zorgt er, zoals gezegd, voor dat een groter deel van het spectrum efficiënt kan worden benut, maar dergelijke zonnecellen zijn erg duur vanwege de gebruikte materialen.

Stempelen

John Rogers van de University of Illinois, Urbana Champaign heeft daar een slimme oplossing voor bedacht. Normaal is de hele zonnecel bedekt met halfgeleidermateriaal, maar die van hem is bedekt met net zichtbare stipjes van een halve vierkante millimeter. Bij elkaar bedekken ze slechts 0,1 procent van het oppervlak van de cel, maar dat zijn er nog altijd 2000 per vierkante meter.

Boven elk stipje is een goedkoop glazen lensje gemonteerd dat als een brandglas het zonlicht duizendvoudig concentreert, waardoor de stipjescel even effectief is als wanneer hij helemaal bedekt was met laagjes halfgeleidermateriaal.

Rogers heeft ook een betrekkelijk eenvoudige techniek ontwikkeld om de stipjes te maken. Op de onlangs gehouden jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science (AAAS), omschrijft hij het als stempelen. Superdunne laagjes van het gewenste materiaal, galliumarsenide bijvoorbeeld, worden opgedampt op een drager, maar niet nadat er eerst een laagje ‘opofferingsmateriaal’ is aangebracht.

De tussenlaag van opofferingsmateriaal wordt opgelost en met een stempel worden stippen van het juiste formaat uitgestanst, opgetild (lift-off) en op de cel geplaatst. Herhaal het proces met de andere materialen, voeg er lenzen en draden aan toe en je hebt een werkende zonnecel die maar een fractie bevat van de hoeveelheid materiaal van een ‘gewone’ zonnecel.

Troef

Tijdens de AAAS vertelde Rogers dat zijn zonnecellen een rendement hebben van 42,5 procent, net iets onder het huidige wereldrecord. Ze worden onder meer gebruikt door het Amerikaanse bedrijf Semprius voor de bouw van zogeheten CPV-centrales, panelen die met de zon meebewegen en – in zonniger streken dan de onze – al concurreren met elektriciteit uit fossiele brandstoffen.

De cellen van Semprius waren ook de geheime troef van de Nuna7 van de TU Delft, die ook vorig jaar de World Solar Challenge won. Omdat het direct naar de zon moet wijzen, kon het paneel niet tijdens het rijden worden gebruikt, maar wel om de batterijen op te laden tijdens het verplichte half uur rust per 300 km.

Rogers denkt het rendement van zijn cellen op te kunnen voeren tot zeker 50 procent, maar  Polman vraagt zich af of je dat moet willen. ‘Omdat je dure vacuumtechnieken nodig hebt om ze te maken, zijn de cellen van Rogers niet goedkoop. Je kunt beter proberen om het rendement van bestaande materialen verhogen door het licht beter te benutten.

Sturen

Bij AMOLF gebeurt dat door nanostructuren aan te brengen op silicium of gallium-arseen. Daarmee kun je het licht de bocht om sturen, stil zetten of zelfs van kleur doen veranderen. Polman: ‘Met relatief eenvoudige lithografische technieken kun je daarmee het rendement opvoeren tot bijna 30 procent voor silicium en 35 procent voor gallium-arseen.’

Ook volgens Wim Sinke, werkzaam bij ECN met een deeltijd aanstelling bij AMOLF en UvA, zijn ultrahoge rendementen van 50 tot 70 procent niet per se noodzakelijk voor grootschalige toepassing van zonne-energie. ‘Met een rendement van 25 tot 30 procent kunnen zonnepanelen uiteindelijk bijna even goedkoop worden als dubbel glas – dat ca. 40 euro per vierkante meter kost. Voorwaarde is wel dat we ook voldoende aandacht besteden aan de andere onderdelen van het systeem, zoals de draagconstructie, de elektrische verbindingen en de elektronica. Ook installatie en onderhoud moeten goedkoop zijn. Als de prijs van complete systemen nog eens met een factor twee of drie daalt, ga je al in de richting van 4 a 5 cent per kWh in Nederland. Vergelijkbaar dus met een kolencentrale, maar veel schoner en duurzamer.’

Joost van Kasteren