Materiaalonderzoek voor zonnecellen in Japan

Paul  op den Brouw, NOST Tokyo

Origineel gepubliceerd op de site van Agentschap NL.

In Japan is na de ramp met de kerncentrale Fukushima Daiichi hernieuwde aandacht voor onderzoek naar zonnecellen. Het National Institute for Materials Research (NIMS) doet onderzoek naar materialen voor niet op silicium gebaseerde zonnecellen. Dit richt zich onder andere op de Dye-Sensitized Solar Cell (DSC) of Grätzel zonnecel. De DSC is een foto-elektrochemische zonnecel, die met lichtgevoelige kleurstoffen zonlicht kan omzetten in elektrische energie. Daarnaast is NIMS bezig met organische dunne-film zonnecellen. Die  zijn niet alleen flexibel en licht in gewicht, maar kunnen ook in zeer grote oppervlakken in  goedkope productieprocessen gemaakt worden. Een derde onderzoekslijn vormen de quantum dots zonnecellen die nog hogere rendementen beloven.

 

Inleiding

 

Japans energievoorziening staat voor grote veranderingen als gevolg van het ongeval met de kerncentrale Fukushima Daiichi. De aardbeving en tsunami hebben niet alleen een kernramp veroorzaakt, maar ook het vertrouwen in kernenergie in Japan beschadigd. Alternatieve vormen van energieopwekking krijgen opnieuw aandacht. Ook fotovoltaïsche zonne-energie staat weer volop in de belangstelling. Om het gebruik van zonne-energie verder aan te moedigen moeten zonnecellen de hoogst mogelijke prestaties kunnen leveren. Daarom investeert Japan sinds het Sunshine Project, dat in 1974 van start ging, veel geld in het onderzoek en de ontwikkeling van zonnecellen. Het resultaat is dat Japan nu verschillende zonneceltechnologieën van wereldklasse heeft. Voorbeelden daarvan zijn de HIT, Tandem en CIGS-zonnecellen. De HIT zonnecel wordt door Sanyo gemaakt (1). HIT staat voor Heterojunction with Intrinsic Thin layer. Deze cel is gemaakt van een dunne monokristallijne siliciumplak, omringd door ultradunne lagen van amorf silicium. Het rendement van de omzetting van zonlicht in elektrische stroom van met deze cellen gemaakte modules is ongeveer negentien procent. Tandemcellen met meer dan dertien procent rendement maken ook gebruik van amorf en fijn kristallijn silicium (2). CIGS cellen zijn opgebouwd uit koper, indium, gallium en selenium. Het bedrijf Solar Frontier, dochterbedrijf van Showa Shell Sekiyu, opende vorig jaar een fabriek waar het 900 megawatt van deze CIGS-zonnepanelen kan maken (3).

Ondanks deze resultaten zijn er nog veel uitdagingen op het terrein van op silicium gebaseerde zonnecellen. Professor Makoto Konagai, directeur van het Photovoltaics Research Center van het Tokyo Institute of Technology, vindt onderzoek naar andere typen zonnecellen dan ook een waardevolle aanvulling op het onderzoek naar op silicium gebaseerde zonnecellen (2,4). Maar omdat het lang niet zeker is dat al deze nieuwe typen zonnecellen uiteindelijk in bruikbare technologieën kunnen worden omgezet, werkt Japan ook nog steeds  aan verbetering van de huidige technologieën. Dit steunt Japanse bedrijven in hun concurrentie met bedrijven in China, Korea en Taiwan.

NIMS

Het National Institute for Materials Research (NIMS) doet onderzoek naar niet op silicium gebaseerde zonnecellen. Het onderzoekt materialen die geschikt zijn voor de Dye-Sensitized Solar Cell (DSC) of Grätzel zonnecel. De DSC is een foto-elektrochemische zonnecel, die met lichtgevoelige kleurstoffen zonlicht kan omzetten in elektrische energie. Het aantrekkelijke van deze zonnecellen zijn de lage productiekosten. Wanneer met dit type cellen een hoog rendement kan worden bereikt, lijken ze bijzonder geschikt voor grootschalige toepassing. Integratie van de cellen en verpakking tot modules zijn op dit moment nog wel duur. Ook organische dunne-film zonnecellen zijn in de positie om de volgende generatie zonnecellen te worden. Daarom doet NIMS ook onderzoek aan dit type cellen. Dan zijn er nog de quantum dot zonnecellen. Deze cellen zijn aantrekkelijk omdat ze in theorie een hoog rendement kunnen halen. Veel van het onderzoek aan deze cellen staat echter nog in de kinderschoenen (4).

DSC

Siliciumzonnecellen hebben de afgelopen jaren hun weg naar de markt gevonden. Toch blijven de kosten voor productie van deze zonnecellen en dus van de uiteindelijke energieopwekking in vergelijking met andere energiebronnen relatief hoog. Voor de verdere groei van zonne-energie-toepassingen is de uitdaging om cellen tegen lage kosten te  fabriceren daarom nog onverminderd. De DSC bestaat uit materialen die weinig kosten en die ruim voorhanden zijn, zoals titaanoxide (TiO₂), een kleurstof en een op jodium gebaseerd elektrolyt. De productie van deze cellen vergt hoge temperatuur noch vacuüm. Bovendien leent de structuur zich voor massaproductie. Daarom denken onderzoekers dat ze de belangrijkste kandidaat voor de nieuwste generatie zonnecellen zijn.

Figuur 1. Schema en werking van een Dye-Sensitized zonnecel (DSC). Bron: NIMS ref. 5.

In figuur 1 is de opbouw en werking van een DSC weergegeven. De verschillende lagen van deze cel bevinden zich tussen transparant glas of plastic. Links in de afbeelding bevindt zich de negatieve doorzichtige, elektrisch-geleidende oxide elektrode (transparent conducting oxide/TCO). Op deze dunne-laag elektrode zijn titaanoxidemoleculen aangebracht, die gezamenlijk een mesoporeuze halfgeleidende elektrode vormen. Aan het titaanoxide is een lichtgevoelige kleurstof chemisch gebonden. Dit geheel bevindt zich in een electrolytoplossing, die jodide en trijodide ionen bevat. Aan de andere zijde bevindt zich de positieve met grafiet of platinadeeltjes bedekte elektrode.

De cel werkt als volgt. Licht komt via de doorzichtige elektrode de cel binnen. Het exciteert de kleurstofmoleculen. Deze verliezen daarop elektronen, die in de titaanoxide elektrode terechtkomen. Via het externe circuit stromen ze naar de andere elektrode. De geoxideerde kleurstof wordt geregenereerd door elektronen op te nemen van de jodide ionen uit het electrolyt. De jodide wordt daarmee geoxideerd tot jodium (I₂) en gaat door binding met jodide ionen in trijodide ionen (I₃^-) over. Aan de positieve elektrode nemen deze trijodide ionen elektronen op, waardoor ze gereduceerd worden tot jodide (I-) ionen. DSCs hebben hiermee een geheel ander werkingsmechanisme dan p-n type zonnecellen, zoals siliciumzonnecellen. De werking lijkt meer op de fotosynthese in het blad van een plant (5).

Met behulp van elektrochemische impedantie spectroscopie heeft NIMS de DSC geanalyseerd en op basis van de interne weerstanden een elektrisch schema ontworpen dat de DSC in zijn werking nabootst. In dit model kunnen variabelen als de ladingsoverdracht, de hoeveelheid ingevangen licht en de diffusiesnelheden in het electrolyt gemanipuleerd worden om de DSC te optimaliseren. Zo is ‘s werelds hoogste rendement voor een DSC gerealiseerd: 11,1 procent.

NIMS is van plan om binnen het thema “Next Generation Photovoltaics” het inzicht in het werkingsmechanisme verder te verdiepen om de prestaties van deze kleurstofzonnecel nog verder op te voeren. Naar verwachting vergt dit nieuwe materialen. Zo wordt ter voorkoming van aggregatie van de kleurstofmoleculen op het titaanoxide nu met bèta-diketonaat rutheniumcomplexen gewerkt in plaats van met desoxycholzuur. Dit leidt tot een hogere short-circuit stroomdichtheid (6).

Organische dunne-film zonnecellen

Organische dunne-film zonnecellen hebben in vergelijking met andere zonnecellen een aantal voordelen. Ze zijn niet alleen flexibel en licht in gewicht, maar kunnen ook in zeer grote oppervlakken en in goedkope productieprocessen gemaakt worden. Het is mogelijk om een oplossing van geschikte organische halfgeleiders vanuit een inktjetprinter aan te brengen op een organisch substraat. Deze materialen zijn niet tegen hoge temperaturen bestand, maar kunnen wel tot honderd graden Celsius gedroogd worden om de dunne film te vormen. De  levensduur van dit soort materiaal is dankzij onderzoek de afgelopen jaren zodanig verlengd, dat ze bruikbaar zijn in schermen van mobiele telefoons en LED-verlichting.

Wereldwijd vindt veel onderzoek plaats naar de zogeheten bulk hetero structures om het rendement van organische dunne-film zonnecellen te verbeteren. De werking van deze zonnecel berust op het principe van de bulk hetero junction (BHJ). Figuur 2 geeft het concept van een dergelijke structuur weer. Het bestaat uit een elektronendonor- en een acceptorcomponent. De BHJ in de afbeelding wordt gemaakt door het spin-coaten van een mengsel van de pi-geconjugeerde polymeer P3HT (blauw) en het buckyballderivaat PCBM (wit) op een substraat. Dit moet vervolgens drogen. Het P3HT vangt het licht in en is als elektronendonor verantwoordelijk voor het transport van “gaten”. PCBM functioneert als acceptor en verzorgt de elektronenoverdracht. Tijdens de vorming van de dunne film vindt een natuurlijke fasescheiding plaats van P3HT en PCBM.

Figuur 2. Schema van een organische dunne-film zonnecel. Bron: NIMS ref. 6.

Tot op heden heeft NIMS met P3HT en PCBM een omzettingsrendement bereikt van 4,1 procent. Ook dit is het hoogste rendement dat onderzoekers wereldwijd met deze materialen hebben bereikt. NIMS is van plan om in het derde midterm programma de bestudering en beheersing van bulk hetero structuren en design en synthese van organische materialen voort te zetten. Het proces van fasescheiding is sterk afhankelijk van de gebruikte materialen. Het verdient nadere bestudering door op nanoschaal de bulk hetero structuur te analyseren. Hoewel een aantal Japanse bedrijven hoog efficiënte organische dunne-film materialen en cellen kan maken, gebruiken materialen zoals P3HT maar een beperkt deel van het spectrum (400-600 nm) om zonlicht in te vangen. NIMS is dus op zoek naar smalle band-gap materialen, die in staat zijn laag-energetisch, langgolvig licht te adsorberen (6).

Figuur 3. Intermediaire band van een quantum dot zonnecel. Bron: NIMS ref. 7

Quantum dot zonnecellen

NIMS en andere Japanse universiteiten hebben de afgelopen jaren gewerkt aan zogenaamde intermediaire band zonnecellen opgebouwd uit quantum dots (IBSC). Dit type cellen heeft een theoretisch rendement van maar liefst zestig procent. Quantum dots zijn aantrekkelijk voor het maken van zonnecellen omdat zij een intermediaire energieband kunnen vormen tussen de geleidings- en valentieband van het materiaal. Dat doen ze door koppeling van elektronische toestanden (zie figuur 3). Om dit te realiseren moeten de quantum dots nauwkeurig, regelmatig en dicht naast elkaar geordend worden. Dit maakt productie van dit soort structuren niet eenvoudig. De onderzoeksgroep van NIMS heeft zich daarom gericht op de bestudering van de stapeling van quantum dots in een (kristal)roostersysteem en op het vervaardigen van zonnecellen met een dergelijke band door gebruik te maken van een multiple quantum well structuur in plaats van quantum dots. In een quantum well kunnen de elektronen en gaten alleen bewegen in de dimensie van een vlak. Met de resultaten van deze onderzoeken hopen de onderzoekers in het derde vijfjarenplan onder andere kristalgroeitechnologieën te ontwikkelen om materialen te ontwikkelen die een hoog rendement vertonen (7).

Bronnen

1. Panasonic/Sanyo, Global Solar: http://panasonic.net/energy/solar/.
2. Makoto Konagai, Present Status and Future Prospects of Silicon Thin-Film Solar Cells, Japanese Journal of Applied Physics, 50 (2011); zie: http://jjap.jsap.jp/link?JJAP/50/030001/.
3. Solar-Panel Giant poised to get even bigger, Kevin Bullis, Technology Review 21-2-2012; zie: http://www.technologyreview.com/energy/39748/.
4. The Future of Solar Power, Next Generation Photovoltaics Research and Development Project, NIMS NOW International no.6 July-August 2011.
5. High Efficiency, Low Cost Solar Cells: R&D on Dye-sensitized Solar Cells, Liyuan Han (Unit Director, Photovoltaic Materials Unit, Environment and Energy Materials Division; zie: http://www.nims.go.jp/eng/publicity/nimsnow/2011/vol09_06.html.
6. Toward Even Higher Efficiency: Organic Thin-Film Solar Cells, Takeshi Yasuda (Organic Thin-Film Solar Cells Group, Photovoltaic Materials Unit, Environment and Energy Materials Division) and Takeshi Noda (Group Leader, High Efficiency Solar Cells Group, Photovoltaic Materials Unit, Environment and Energy Materials Division); zie: http://www.nims.go.jp/eng/publicity/nimsnow/2011/vol09_06.html
7. Quantum Dot Solar Cells, Takeshi Noda (Group Leader High Efficiency Solar Cell Group, Photovoltaic Materials Unit, Environment and Energy Materials Division), NIMS NOW International no.6 July-August 2011, page 7.