Halfgeleider-nanodraden maken zeer efficiënte en goedkope zonnepanelen mogelijk

Een nieuw materiaal maakt de productie van zeer efficiënte zonnepanelen mogelijk. Het gaat om zogeheten halfgeleider-nanodraden. Indien deze bovenop een traditioneel silicium-gebaseerd zonnepaneel wordt geplaatst, kan dit in potentie de efficiëntie van deze zonnepanelen op goedkope wijze verdubbelen.

Het materiaal is ontwikkeld door onderzoekers van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie. “We hebben een nieuwe methode voor het zeer effectief gebruik van gallium arsenide (GaAs) materiaal via nanostructuring, zodat we zonnepanelen veel efficiënter kunnen maken met gebruik van slechts een fractie van het materiaal dat normaal wordt gebruikt”, licht Anjan Mukherjee, promovendus van de Department of Electronic Systems van de Noorse universiteit, toe.

Efficiëntie verhogen

Mukherjee is de hoofdontwikkelaar van de nieuwe techniek. De onderzoekers noemen GaAs het beste materiaal voor het verhogen van de efficiëntie van zonnecellen. Dit met het oog op zijn uitzonderlijke vermogen tot het absorberen van licht en elektrische eigenschappen. Het materiaal is al langer in gebruik voor de productie van zonnepanelen bedoeld voor gebruik in de ruimte.

Dat het materiaal tot nu toe niet op aarde op grote schaal verwerkt is in zonnepanelen is onder meer te wijten aan de kosten. De productie van GaAs componenten voor zonnecellen van hoge kwaliteit is relatief duur. De vraag naar technieken die de hoeveelheid benodigd GaAs materiaal terugdringen is dan ook groot, melden de onderzoekers.

Tien keer efficiënter

Een dergelijk techniek lijkt nu beschikbaar. “Onze onderzoeksgroep ontdekte een nieuwe manier voor de productie van zonnecellen met een zeer hoog vermogen-per-gewicht verhouding die ruim tien keer efficiënter is dan iedere andere zonnecel door gebruik van GaAs in een nanodraad-structuur”, legt Helge Weman, hoogleraar van de Department of Electronic Systems van de NTNU, uit. Een onderzoekspaper van de groep is gepubliceerd in ACS Photonics.

Een belangrijke kostenpost bij traditionele productie van GaAs zonnecellen is het feit dat zij doorgaans op een dik en daarmee relatief duur GaAs substructuur ‘groeien’. De onderzoekers wijken hiervan af. “Onze methode maakt gebruik van een verticaal staande matrixstructuur van nanodraden op een goedkoop en industrie-gericht siliciumplatform voor het groeien van nanodraden”, aldus Weman.

Productiekosten minimaliseren

De meest kosteneffectieve en efficiënte oplossing is volgens de onderzoekers het groeien van zogeheten dual tandem cellen met een GaAs nanodraadcel bovenop een silicium zonnecel. Het gebruik van een duur GaAs substraat is hierdoor niet nodig. “We hebben gewerkt aan het minimaliseren van de kosten van groeien van de bovenste GaAs nanodraadcel, aangezien de productiekosten van GaAs een van de grootste uitdagingen is die de technologie momenteel in de weg staat.”

Bjorn-Ove Fimland, hoogleraar van de Department of Electronic Systems van de NTNU: “De kleine voetafdruk van de nanodraadstructuur biedt extra voordelen, aangezien het hoge kwaliteit mogelijk maakt in de kristallen van de nanodraden en de interface met het silicium. Dit verbetert de prestaties van de zonnecel.”

Molecular beam epitaxy

De onderzoekers zetten een methode genaamd molecular beam epitaxy (MBE) in voor de productie van de nanodraden. Deze methode is minder geschikt voor het produceren van materiaal in grote volumes. Mukherjee: “Het is echter mogelijk deze nanodraad-gebaseerde zonnecellen op grote schaal te produceren met behulp van tools op industrieniveau zoals metal organic vapor deposition (MOCVD).”

Het integreren van het product bovenop een silicium-zonnecel kan de efficiëntie tot 40% vergroten. In verhouding met de silicium-zonnecellen die vandaag de dag op de markt beschikbaar zijn kan de aanpak de efficiëntie naar verwachting verdubbelen.

Meer toepassingen

De onderzoekers voorzien meer toepassingen van hun nanodraden. Het aanpassen van de methode maakt het naar verwachting het laten groeien van nanodraden op andere substraten mogelijk. Dit opent volgens de onderzoekers de deur naar meer toepassingen. “We verkennen het groeien van dit soort lichtgewicht nanodraadstructuren op atomisch-dunne tweedimensionele substraten zoals grafeen. Dit kan enorme mogelijkheden bieden voor de productie van lichtgewicht en flexibele zonnecellen die gebruikt kunnen worden in zelfaangedreven drones, microsatellieten en andere rtoepassingen in de ruimte”, besluit Mukherjee.

Meer informatie is hier beschikbaar.

Auteur: Wouter Hoeffnagel