Een korte bespreking van de soorten zonnecellen

Zonne-energie was ooit het domein van geavanceerde ruimtevaartuigen en een paar luxe gadgets, maar dat is niet langer het geval. In de afgelopen tien jaar is zonne-energie getransformeerd van een niche-energiebron tot een belangrijke pijler van het wereldwijde energielandschap.

De aarde wordt voortdurend blootgesteld aan ongeveer 173.000 TW aan zonnestraling. Dat is meer dan tien keer de gemiddelde wereldwijde vraag naar elektriciteit.

[1] Dit betekent dat zonne-energie in staat is om in al onze energiebehoeften te voorzien.

In de eerste helft van 2023 bedroeg de opwekking van zonne-energie 5,77% van de totale Amerikaanse elektriciteitsopwekking, een stijging ten opzichte van 4,95% in 2022.

[2] Hoewel fossiele brandstoffen (vooral aardgas en steenkool) in 2022 goed zullen zijn voor maar liefst 60,4% van de Amerikaanse elektriciteitsopwekking,

[3] Maar de groeiende invloed van zonne-energie en de snelle ontwikkeling van de zonne-energietechnologie verdienen aandacht.

 

Soorten zonnecellen

 

Momenteel zijn er drie belangrijke categorieën zonnecellen (ook wel fotovoltaïsche (PV) cellen genoemd) op de markt: kristallijne cellen, dunnefilmcellen en cellen met opkomende technologieën. Deze drie soorten batterijen hebben hun eigen voordelen op het gebied van efficiëntie, kosten en levensduur.

 

01 kristal

De meeste zonnepanelen op daken van huizen zijn gemaakt van monokristallijn silicium met een hoge zuiverheidsgraad. Dit type batterij heeft de afgelopen jaren een rendement van meer dan 26% en een levensduur van meer dan 30 jaar behaald.

[4] Het huidige rendement van zonnepanelen voor huishoudens bedraagt ​​ongeveer 22%.

 

Polykristallijn silicium is goedkoper dan monokristallijn silicium, maar is minder efficiënt en heeft een kortere levensduur. Een lagere efficiëntie betekent dat er meer panelen en een groter oppervlak nodig zijn.

 

ZonnecellenZonnecellen gebaseerd op multi-junction galliumarsenide (GaAs)-technologie zijn efficiënter dan traditionele zonnecellen. Deze cellen hebben een meerlaagse structuur en elke laag gebruikt een ander materiaal, zoals indiumgalliumfosfide (GaInP), indiumgalliumarsenide (InGaAs) en germanium (Ge), om verschillende golflengtes van zonlicht te absorberen. Hoewel deze multi-junction-cellen naar verwachting een hoge efficiëntie zullen bereiken, kampen ze nog steeds met hoge productiekosten en een gebrek aan onderzoek en ontwikkeling, wat hun commerciële haalbaarheid en praktische toepassingen beperkt.

 

02 film

De belangrijkste dunnefilm-zonnepanelen op de wereldmarkt zijn cadmiumtelluride (CdTe)-zonnepanelen. Wereldwijd zijn er miljoenen van dergelijke panelen geïnstalleerd, met een piekvermogen van meer dan 30 GW. Ze worden voornamelijk gebruikt voor grootschalige energieopwekking in de Verenigde Staten.

 

Bij deze dunnefilmtechnologie bevat een zonnepaneel van 1 vierkante meter minder cadmium dan een nikkel-cadmium (Ni-Cd)-batterij van AAA-formaat. Bovendien is het cadmium in zonnepanelen gebonden aan tellurium, dat onoplosbaar is in water en stabiel blijft bij temperaturen tot wel 1200 °C. Deze factoren beperken de toxische risico's van het gebruik van cadmiumtelluride in dunnefilmbatterijen.

 

Het telluriumgehalte in de aardkorst bedraagt ​​slechts 0,001 deeltjes per miljoen. Net zoals platina een zeldzaam element is, kan de zeldzaamheid van tellurium de kosten van een cadmiumtelluridemodule aanzienlijk beïnvloeden. Dit probleem kan echter worden verholpen door recyclingmethoden.

De efficiëntie van cadmiumtelluridemodules kan 18,6% bereiken en de batterij-efficiëntie in een laboratoriumomgeving kan de 22% overschrijden. [5] Het gebruik van arseendoping ter vervanging van koperdoping, dat al lange tijd wordt gebruikt, kan de levensduur van de module aanzienlijk verbeteren en een niveau bereiken dat vergelijkbaar is met dat van kristalbatterijen.

 

03Opkomende technologieën

 

Opkomende fotovoltaïsche technologieën die gebruikmaken van ultradunne films (minder dan 1 micron) en directe depositietechnieken zullen de productiekosten verlagen en hoogwaardige halfgeleiders voor zonnecellen opleveren. Verwacht wordt dat deze technologieën concurrenten zullen worden van bestaande materialen zoals silicium, cadmiumtelluride en galliumarsenide.

 

[6]Er zijn drie bekende dunnefilmtechnologieën op dit gebied: koperzinktinsulfide (Cu2ZnSnS4 of CZTS), zinkfosfide (Zn3P2) en enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT). In een laboratoriumomgeving hebben koper-indium-galliumselenide (CIGS) zonnecellen een indrukwekkende piekefficiëntie van 22,4% bereikt. Het repliceren van dergelijke efficiëntieniveaus op commerciële schaal blijft echter een uitdaging.

[7] Dunnefilmzonnecellen op basis van loodhalogenideperovskiet vormen een aantrekkelijke, opkomende zonnetechnologie. Perovskiet is een type stof met een typische kristalstructuur van de chemische formule ABX3. Het is een geel, bruin of zwart mineraal waarvan het hoofdbestanddeel calciumtitanaat (CaTiO3) is. Tandemzonnecellen op basis van siliciumperovskiet op commerciële schaal, geproduceerd door het Britse bedrijf Oxford PV, hebben een recordrendement van 28,6% behaald en zullen dit jaar in productie gaan.

[8]In slechts enkele jaren tijd hebben perovskiet-zonnecellen een rendement bereikt dat vergelijkbaar is met dat van bestaande dunnefilmcellen met cadmiumtelluride. In de beginjaren van het onderzoek naar en de ontwikkeling van perovskiet-batterijen was de levensduur een groot probleem, zo kort dat deze slechts in maanden kon worden berekend.

Tegenwoordig hebben perovskietcellen een levensduur van 25 jaar of langer. De voordelen van perovskietzonnecellen zijn momenteel een hoge conversie-efficiëntie (meer dan 25%), lage productiekosten en de lage temperaturen die nodig zijn voor het productieproces.

 

Gebouwgeïntegreerde zonnepanelen

 

Sommige zonnecellen zijn ontworpen om slechts een deel van het zonnespectrum op te vangen en tegelijkertijd zichtbaar licht door te laten. Deze transparante cellen worden kleurstofgevoelige zonnecellen (DSC) genoemd en werden in 1991 in Zwitserland geïntroduceerd. Nieuwe R&D-resultaten van de afgelopen jaren hebben de efficiëntie van DSC's verbeterd en het zal wellicht niet lang meer duren voordat deze zonnepanelen op de markt komen.

 

Sommige bedrijven voegen anorganische nanodeeltjes toe aan polycarbonaatglaslagen. De nanodeeltjes in deze technologie verplaatsen specifieke delen van het spectrum naar de rand van het glas, waardoor het grootste deel van het spectrum erdoorheen kan. Het licht dat aan de rand van het glas geconcentreerd is, wordt vervolgens opgevangen door zonnecellen. Daarnaast wordt momenteel onderzoek gedaan naar de toepassing van dunne perovskietfilmmaterialen in transparante zonneramen en gevels van gebouwen.

 

Grondstoffen die nodig zijn voor zonne-energie

Om de opwekking van zonne-energie te vergroten, zal de vraag naar de winning van belangrijke grondstoffen zoals silicium, zilver, koper en aluminium toenemen. Het Amerikaanse ministerie van Energie stelt dat ongeveer 12% van het wereldwijde silicium van metallurgische kwaliteit (MGS) wordt verwerkt tot polysilicium voor zonnepanelen.

 

China is een belangrijke speler op dit gebied en produceerde in 2020 ongeveer 70% van alle MGS ter wereld en 77% van de polysiliciumvoorraad.

 

Het proces van het omzetten van silicium in polysilicium vereist zeer hoge temperaturen. In China wordt de energie voor deze processen voornamelijk uit steenkool gehaald. Xinjiang beschikt over overvloedige steenkoolvoorraden en lage elektriciteitskosten, en de polysiliciumproductie is goed voor 45% van de wereldproductie.

 

[12]De productie van zonnepanelen verbruikt ongeveer 10% van al het zilver ter wereld. Zilverwinning vindt voornamelijk plaats in Mexico, China, Peru, Chili, Australië, Rusland en Polen en kan leiden tot problemen zoals verontreiniging door zware metalen en gedwongen verplaatsing van lokale gemeenschappen.

 

Koper- en aluminiumwinning vormen ook uitdagingen op het gebied van landgebruik. Volgens de US Geological Survey is Chili goed voor 27% van de wereldwijde koperproductie, gevolgd door Peru (10%), China (8%) en de Democratische Republiek Congo (8%). Het Internationaal Energieagentschap (IEA) verwacht dat als het wereldwijde gebruik van hernieuwbare energie in 2050 100% bereikt, de vraag naar koper uit zonne-energieprojecten bijna zal verdrievoudigen.

[13]Conclusie

 

Wordt zonne-energie ooit onze belangrijkste energiebron? De prijs van zonne-energie daalt en de efficiëntie neemt toe. In de tussentijd zijn er veel verschillende mogelijkheden voor zonnetechnologie. Wanneer identificeren we een of twee technologieën en zorgen we ervoor dat ze echt werken? Hoe kunnen we zonne-energie integreren in het elektriciteitsnet?

 

De evolutie van zonne-energie van specialiteit naar mainstream onderstreept het potentieel ervan om in onze energiebehoeften te voorzien en deze zelfs te overtreffen. Hoewel kristallijne zonnecellen momenteel de markt domineren, maken ontwikkelingen in dunnefilmtechnologie en opkomende technologieën zoals cadmiumtelluride en perovskieten de weg vrij voor efficiëntere en geïntegreerde zonnetoepassingen. Zonne-energie kent nog steeds vele uitdagingen, zoals de milieu-impact van grondstoffenwinning en knelpunten in de productie, maar het is tenslotte een snelgroeiende, innovatieve en veelbelovende sector.

 

Met de juiste balans tussen technologische vooruitgang en duurzame praktijken zal de groei en ontwikkeling van zonne-energie de weg vrijmaken voor een schonere, overvloedigere energietoekomst. Hierdoor zal zonne-energie een aanzienlijke groei doormaken in de Amerikaanse energiemix en naar verwachting een wereldwijde duurzame oplossing worden.