23/07/2020
Door Ad Spijkers
Dunne-film zonnecellen, geproduceerd met picoseconde lasers, zijn 10-15 procent efficiënter dan conventioneel vervaardigde zonnecellen.
Wereldwijd is ongeveer honderdkeer meer zonne-energie beschikbaar dan energie uit windenergie en hernieuwbare grondstoffen. Zonne-energie is daarom een essentieel onderdeel van de mix van hernieuwbare energiebronnen voor de energietransitie.
Bestaande siliciumzonnecellen zijn door massaproductie goedkoop, maar ze zijn complexer en in het productieproces minder efficiënt met grondstoffen dan dunne-filmcellen. Als ze worden vervaardigd met behulp van een picoseconde laser, zijn ze 10-15 procent efficiënter. Onderzoekers aan de Hochschule München maakten het laserproces industrieel toepasbaar en onderzoeken nu de effectiviteit ervan. Het productieproces bespaart zo'n 20.000 ton CO2-uitstoot per jaar.
CIGS dunne-film cellen
De zogenaamde CIGS dunne-film zonnecellen bestaan uit lagen van slechts enkele micrometers. De lichtabsorberende laag is gemaakt van de halfgeleider koper-indium-gallium-diselenide, kortweg CIGS. De flinterdunne cellen bestaan uit een sandwich van vier lagen: als basismateriaal 3 mm glas aan de onderkant, een molybdeenlaag van slechts één micron, de gelijknamige CIGS-laag van drie micron en een raamlaag van zinkoxide van één micron.
De CIGS-laag met een groot oppervlak van de cel moet een structuur hebben van fijne groeven voor elektriciteitsproductie, die het grote CIGS-gebied onderverdelen in ongeveer honderd afzonderlijke cellen. Net als batterijen die in serie zijn geschakeld, neemt de spanning van ongeveer één volt van een cel toe tot ongeveer honderd volt van een hele celmodule. De molybdeenlaag onder de CIGS-laag mag hierbij niet worden beschadigd.
De eerdere mechanische kerving van de groeven, het krassen, had nadelen. Met de koordnaald ontstaan bredere groeven en blijven slecht geleidende resten achter op de bodem van de groeven. Door de lagen te verwijderen met de picoseconde laser, ontstaan fijnere lijnen die de stroom beter geleiden. De efficiëntie van de cel neemt daardoor toe zonder noemenswaardige kostenstijgingen.
Industrieel productieproces
Industriële productie van CIGS dunne-film cellen is mogelijk door laserpulsen te gebruiken met een duur van picoseconden en een hoge herhalingsfrequentie. Een nanoseconde laser verbrandt alle drie lagen en smelt ze samen. Alleen met een ultrakorte pulslaser zoals de picoseconde-laser is de bovenste CIGS-laag te structureren zonder de onderliggende molybdeenlaag te beschadigen. De verbinding tussen het molybdeen en de transparante zinkoxide deklaag is sterker. Dit vermindert ook interne energieverliezen, wat de efficiëntie verhoogt.
Stroomlijnen van het productieproces biedt mogelijkheden voor verbetering van efficiëntie en verlaging van de productiekosten in de toekomst. De afwisselende laagtoepassing van de afzonderlijke CIGS-lagen en structurering moet worden gecombineerd tot een gezamenlijke toepassing van alle lagen en hun gezamenlijke laserstructuur.
Foto: Johannes Lesser