Tweezijdige zonnecellen vangen meer licht

Momenteel wordt meestal maar één zijde van zonnecellen gebruikt om elektriciteit op te wekken, uiteraard de zijde die naar de zon is gekeerd. Maar ook op de achterzijde valt er licht, met name diffuus licht en licht dat wordt gereflecteerd door de bodem of de wolken. Je kan je dus afvragen waarom die zijde wordt afgesloten, in plaats van ze als extra elektriciteitsbron te gebruiken.

“Het idee om tweezijdige cellen te maken is niet nieuw,” zegt Jozef Szlufcik, directeur van de afdeling zonnecellen bij imec. “Meer dan twintig jaar geleden is het al uitgeprobeerd. Maar de piekefficiëntie aan de voorzijde van tweezijdige zonnecellen ligt iets lager dan bij vergelijkbare éénzijdige cellen. Als je de achterzijde van de modules openlaat, dan ontsnapt er langs daar namelijk een beetje licht, het licht met een langere golflengte."

"Hierdoor is de maximale celefficiëntie die aan de voorzijde wordt gemeten en uitgedrukt in Wattpiek iets kleiner dan bij vergelijkbare, geoptimaliseerde éénzijdige cellen. En omdat de maximale efficiënte van een zonnecel altijd het belangrijkste verkoopargument was, bleef het succes van tweezijdige zonnecellen uit. Want wie zou er nu zonnecellen met lagere piekprestaties kopen?”

Maar nu worden er steeds meer grootschalige zonneparken in bedrijf genomen. Als een operator van zo’n park zonnepanelen selecteert, houdt hij met veel meer parameters rekening dan alleen de piekprestaties. Waar het voor hen op aankomt, is de gemiddelde output per jaar, en niet de maximale piek op een zonnige dag.

Jozef Szlufcik: “Energiebedrijven zijn nu op zoek naar installaties die goed presteren onder alle weersomstandigheden, dus ook bij een niet-optimale lichtinval door bewolking, bij lagere temperaturen, periodes met sneeuw… Hierdoor steeg opnieuw de belangstelling voor technologieën zoals tweezijdige zonnecellen.”

De meeste zonnecellen zijn nu aan de achterzijde gesloten met een reflecterende metalen elektrode. Maar om een goede tweezijdige zonnecel te maken moet er meer gebeuren dan de achterzijde verwijderen.

Jozef Szlufcik: “Zowel aan de voor- als achterzijde van een zonnecel heb je geleiders die de elektriciteit van de cel 'verzamelen'. Bij een tweezijdige cel moeten die geleiders zo dun mogelijk zijn aan beide zijden. Wij gebruiken daarom zogenaamde vingers, smalle en dunne contacten - minder dan 15 micrometer breed en ongeveer 2 micrometer dik - bekleed met een laagje nikkel en zilver."

Maar ook de zonnecel zelf moet worden aangepast. In een klassieke cel ligt de zogenaamde p-n-overgang traditioneel dicht tegen de voorzijde. Deze overgang is de interface tussen de twee polariteitszones waar de energiedragers opgewekt door de invallende fotonen worden gescheiden en opgevangen. De energiedragers die afkomstig zijn van de achterzijde van een tweezijdige cel moeten bijgevolg een langere weg door het materiaal afleggen vóór ze de p-n-overgang bereiken. Maar onderweg kunnen ze recombineren en dan gaat hun energie verloren. "Dat effect is te bestrijden met materialen van de hoogste kwaliteit, met een hogere gemiddelde diffusielengte," zegt Szlufcik. "De energiedragers reizen dan langer door het materiaal zonder te recombineren. De beste bifacialiteit die wij met deze technieken tot nu toe hebben gehaald, is 99,5%, wat betekent dat de achterzijde bijna net zo goed is als de voorzijde.”

Met behulp van deze technieken heeft imec nieuwe tweezijdige zonnecellen gecreëerd. Die hebben een eenzijdige piekefficiëntie van 22,4%, maar zelfs bij een gemiddelde bodemreflectie presteren zo even goed als éénzijdige cellen van 26%.

Er zal bij zonnepanelen nooit veel rechtstreeks zonlicht op de achterzijde vallen. Maar er is wel veel lichtreflectie uit de omgeving: van de bodem, van andere gebouwen en zelfs van de wolken. Hoe meer reflecterende oppervlakken in de omgeving (dus een hogere albedo), des te beter. Zonneparkuitbaters kunnen de panelen dus beter op wit beton of witte steen installeren dan op donkergrijs materiaal. Maar zelfs gras reflecteert nog tot 15% van het licht. En ook bij installatie op een plat dak breng je beter een reflecterende dakbedekking aan.

“Maar je zou tweezijdige zonnepanelen ook verticaal kunnen installeren, in plaats van één zijde naar de zon te richten,” zegt Jozef Szlufcik. “Denk aan een installatie in de woestijn: tweezijdige cellen profiteren daar enorm van de zeer krachtige reflecties. Door de panelen verticaal te plaatsen, vermijd je bovendien dat er op de voorzijde van de modules een laag zand en stof komt te liggen. Ook gebieden met veel sneeuw tijdens een groot gedeelte van het jaar hebben baat bij verticale tweezijdige zonnecellen: er is heel veel reflectie en de sneeuw dekt de panelen niet af. Een andere toepassingsmogelijkheid is een oost-westopstelling van de panelen, waardoor de elektriciteitsproductie tijdens de dag gelijkmatiger wordt dan bij een noord-zuidopstelling. En ten slotte kunnen verticale panelen ook dienst doen als bouwelementen, bijvoorbeeld in balkons.”

Jozef Szlufcik: “Om de prestatievoordelen van tweezijdige zonnecellen nauwkeuriger te berekenen ontwikkelen de energiemaatschappijen nu verfijnde modellen. Hiermee voorspellen ze de energiewinst op het niveau van één enkele tweezijdige module, van een groep modules en zelfs van complete zonneparken.”

Een dergelijk model houdt rekening met alle relevante parameters en berekent vervolgens voor elk wat de bijdrage is. Daaruit komt dan de optimale mix die de grootste energieopbrengst tegen de laagste kosten garandeert. Zo is de opbrengst van de modules bijvoorbeeld groter als ze verder van elkaar staan opgesteld en er dus minder schaduwen zijn. Maar dan lopen de vastgoedkosten per module op, wat de elektriciteitskost weer verhoogt. Het komt er dus op aan de optimale afstand te bepalen.

"De rekenmodellen laten zien dat een zonnepark met tweezijdige cellen gemiddeld tot 15% extra energie kan opleveren," besluit Szlufcik. "Vooral voor grootschalige projecten is dat bijzonder veelbelovend.”