In dit blogbericht onderzoeken we de mogelijkheden en toekomstperspectieven van zonneceltechnologie als oplossing voor het probleem van de uitputting van fossiele brandstoffen.
Wereldwijd is de energiebehoefte grotendeels afhankelijk van fossiele brandstoffen zoals olie, steenkool en aardgas. Fossiele brandstoffen zijn energiebronnen die ontstaan zijn door de ontbinding van de resten van organismen die miljoenen jaren geleden op aarde leefden en die onder specifieke omgevingsomstandigheden zijn afgezet. Vanwege het miljoenen jaren durende vormingsproces worden ze geclassificeerd als niet-hernieuwbare hulpbronnen. Door de continu toenemende consumptie van fossiele brandstoffen sinds de Industriële Revolutie raken deze bronnen echter geleidelijk uitgeput. Bovendien veroorzaakt het overmatige gebruik van deze fossiele brandstoffen ernstige milieuproblemen, zoals de uitstoot van broeikasgassen. Deze problemen vormen een bedreiging voor de duurzame ontwikkeling van de mensheid en daarom groeit de interesse in de ontwikkeling van alternatieve energiebronnen wereldwijd. Er wordt onderzoek gedaan naar diverse alternatieve energiebronnen, zoals zonne-energie, windenergie, biomassa en geothermische energie. Met name zonne-energie – die niet gebonden is aan een specifieke locatie en geen milieuproblemen veroorzaakt – wint aan populariteit als alternatief voor fossiele brandstoffen.
Een zonnecel is een apparaat dat lichtenergie omzet en opslaat in elektrische energie. De droge batterijen en oplaadbare batterijen die we gewoonlijk gebruiken, zijn chemische cellen, die verschillen van zonnecellen. Chemische cellen genereren elektrische energie door de chemische reacties van hun interne materialen. Daarom kunnen ze geen stroom meer genereren zodra het opgeslagen materiaal is uitgeput. Zonnecellen daarentegen zijn fysieke cellen die gebruikmaken van het foto-elektrisch effect, waardoor ze onbeperkt stroom kunnen genereren zolang de externe energiebron – licht – niet is uitgeput. Het foto-elektrisch effect verwijst naar het fenomeen waarbij elektronen uit een metaal worden uitgezonden wanneer het wordt blootgesteld aan licht van een bepaalde intensiteit of hoger. Wanneer een elektron wordt uitgestoten, wordt het "aangeslagen" genoemd. Als het de energie van het invallende licht absorbeert en meer energie opneemt dan in zijn oorspronkelijke toestand, raakt het aangeslagen. Zo'n aangeslagen elektron kan ofwel terugkeren naar zijn oorspronkelijke positie door de overtollige energie uit te zenden, ofwel ontsnappen naar een andere locatie terwijl het in een aangeslagen toestand blijft. Elektronen kiezen in elk geval het meest stabiele pad; Zonnecellen creëren omstandigheden waarin elektronen voor de laatste optie kiezen, waardoor ze door het circuit kunnen stromen.
Zonnecellen werden voor het eerst ontwikkeld in de Verenigde Staten in 1945 en worden aangeduid als zonnecellen van de eerste generatie. Zonnecellen van de eerste generatie hebben een structuur waarbij P-type (positieve) en N-type (negatieve) halfgeleiders, die verschillende elektrische eigenschappen hebben, met elkaar verbonden zijn. Omdat een kleine hoeveelheid onzuiverheden (respectievelijk boor en fosfor) aan silicium wordt toegevoegd om deze twee halfgeleiders te creëren, worden ze ook wel siliciumzonnecellen genoemd. Omdat boor 5 elektronen bevat en fosfor 15 elektronen, heeft de met fosfor gedoteerde N-type halfgeleider meer elektronen (-) dan de met boor gedoteerde P-type halfgeleider. Om dezelfde reden bevat de P-type halfgeleider meer gaten – lege plekken waar elektronen ontbreken – die "gaten (+)" worden genoemd. Wanneer lichtenergie de junctie van de P-type halfgeleider raakt, worden elektronen uitgezonden als gevolg van het foto-elektrisch effect, waardoor het aantal elektronen en gaten in elke halfgeleider toeneemt. De overtollige elektronen in de n-type halfgeleider proberen zich naar de p-type halfgeleider te bewegen, maar ze kunnen de overgang niet overbruggen vanwege het energieverschil. Daarom stromen de overtollige elektronen van de n-type halfgeleider, wanneer de twee soorten halfgeleiders met elkaar verbonden zijn door een draad, langs de draad naar de p-type halfgeleider.
Zonnecellen van de eerste generatie behalen een rendement tot 25% en zijn chemisch stabiel. Momenteel vertegenwoordigen ze meer dan 80% van de markt voor zonnecellen. Omdat silicium echter zowel licht absorbeert als elektronen geleidt, neemt het rendement af naarmate de zuiverheid van het silicium daalt. Dit vereist een hoge mate van precisie in het productieproces. Bovendien zijn de productiekosten erg hoog, omdat silicium met een hoge zuiverheid als belangrijkste grondstof wordt gebruikt. Ze hebben ook als nadeel dat ze inflexibel en ondoorzichtig zijn, wat resulteert in een minder aantrekkelijk uiterlijk.
Zonnecellen van de tweede generatie, ontwikkeld om deze problemen aan te pakken, waren gericht op het verlagen van de productiekosten. Omdat zonnecellen op grote schaal over uitgestrekte gebieden moeten worden geïnstalleerd, vertalen lagere apparatuurkosten zich direct in lagere productiekosten. Zonnecellen van de tweede generatie, gemaakt door een dunne laag lichtabsorberende organische kleurstof aan te brengen op een anorganisch substraat, staan ook bekend als dunnefilmzonnecellen. Hoewel hun werkingsprincipe vergelijkbaar is met dat van zonnecellen van de eerste generatie, vinden de absorptie en het transport van elektronen niet gelijktijdig plaats binnen de halfgeleider, maar zijn ze gescheiden. Silicium fungeert uitsluitend als drager, terwijl de dunne, wijdverspreide organische kleurstof zonne-energie absorbeert. Daardoor is het rendement van de zonnecel niet afhankelijk van de zuiverheid van het silicium, waardoor de behoefte aan duur 100% zuiver silicium vervalt. Bovendien kunnen zonnecellen van de tweede generatie, omdat ze dun, transparant en flexibel zijn, worden gebruikt in ramen, kassen en kleine elektronische apparaten. Omdat ze echter dun zijn, is hun rendement lager dan dat van zonnecellen van de eerste generatie.
Zonnecellen van de derde generatie, waaraan momenteel actief onderzoek wordt gedaan, richten zich op het verhogen van de energie-efficiëntie met behoud van de voordelen van zonnecellen van de tweede generatie. Kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC), ontwikkeld in 1991 door het team van professor Gratzel aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie, maken gebruik van extreem kleine nanodeeltjes en nog kleinere kleurstofpolymeren. Hoewel de scheiding van zonne-energieabsorptie en ladingstransport hetzelfde is als bij zonnecellen van de tweede generatie, trok het gebruik van extreem kleine deeltjes (nanodeeltjes en kleurstofpolymeren) om het oppervlak per volume-eenheid te vergroten veel aandacht. Omdat elektronen zich alleen kunnen verplaatsen via het contactoppervlak tussen de twee deeltjes, konden kleurstofgevoelige zonnecellen met nanodeeltjes een zeer hoge energie-efficiëntie bereiken. Het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) ontwikkelde een hybride tandemzonnecel door meerdere zonnecellen met verschillende golflengtebereiken te combineren. Door een breed scala aan golflengten als energiebronnen te gebruiken, verhoogden ze de efficiëntie. Bovendien hebben MEG-zonnecellen – waar momenteel actief onderzoek naar wordt gedaan door bedrijven zoals Kolon en Samsung – een verbeterde efficiëntie dankzij een mechanisme dat twee of meer elektron-gatparen genereert uit één enkel lichtdeeltje. Door meerdere PN-overgangen op elkaar te stapelen, kan zonlicht dat aan het oppervlak wordt geabsorbeerd, meerdere keren worden geabsorbeerd en opnieuw geabsorbeerd.
Hoewel hun efficiëntie nog niet hoog genoeg is om fossiele brandstoffen te vervangen, is de energiebron voor zonnecellen, in tegenstelling tot de uitputtende chemische brandstoffen, onuitputtelijk. Zonne-energie wordt beschouwd als een schone energiebron, in tegenstelling tot de fossiele brandstoffen die we gebruiken, en kan aanzienlijk bijdragen aan de wereldwijde inspanningen om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Zonneceltechnologie stimuleert dan ook innovatie in de energiesector en zal naar verwachting een cruciale rol spelen in diverse industrieën. Bovendien tonen de opkomst van zonnecellen die op verschillende principes werken en de steeds toenemende efficiëntie van deze cellen het potentieel voor verder onderzoek, ontwikkeling en praktische toepassing aan. Het zal niet lang meer duren voordat we een verscheidenheid aan gecommercialiseerde zonnecellen zien.
