Belofte van de zonnecellen

Van miljoenen plakplaatjes heeft een zonnetje ons toegelachen. Dat was tijdens de volksdiscussie over energie. Hoe verleidelijk is de rechtstreekse omzetting van zonlicht in elektrische energie! We zouden elektriciteit kunnen maken zonder onze omgeving te vervuilen, als we het maar wilden.

Maar al die plaatjes samen hebben niet weg kunnen lachen dat zonneëlektriciteit erg duur is, zeker tienmaal zo duur als de gewone, vervuilende elektriciteit. Er is namelijk veel oppervlak voor nodig: per vierkante meter wordt nog geen honderd watt elektriciteit geleverd. Daarom zijn de installatiekosten relatief hoog. En ook al is de grondstof voor zonnecellen goedkoop, het maken van een goede cel is duur, want het vraagt om subtiele technieken voor de materiaalbehandeling.

De prijs van zonneëlektriciteit is echter aan het dalen en het is niet onmogelijk dat zij over tien jaar op het niveau van de conventionele elektriciteit ligt. Dit is vooral het gevolg van de ontwikkeling van materialen die goedkoop gemaakt kunnen worden en die toch een bruikbaar omzettingsrendement hebben. Met name van zonnecellen uit siliciumfilms wordt veel verwacht. Laten we ze daarom bespreken.

Maar eerst dit: hoe werkt een zonnecel? Die is gemaakt van halfgeleidend materiaal. Zonnefotonen brengen de elektronen daarin van een gebonden in een beweeglijke toestand. De meeste zonnefotonen hebben een energie van 1,5 eV, zodat men een halfgeleider wenst met juist die energiesprong tussen de gebonden en de beweeglijke elektronentoestanden. In de taal van de fysica van vaste stoffen: de verboden zone tussen valentieband en geleidingsband zou 1,5 eV moeten zijn. Dan zou de helft van alle ingestraalde zonneŽnergie geabsorbeerd kunnen worden.

Als regel gebruikt men silicium, omdat dit materiaal al veel ontwikkelingswerk achter de rug heeft, maar de verboden zone daarvan is juist wat breder. Daarom wordt alleen een minderheid van de zonnefotonen aan de blauwe kant van het spectrale maximum geabsorbeerd. Bovendien heeft het materiaal een vrij hoge brekingsindex, waardoor bij het binnentreden van de fotonen aanzienlijke reflectieverliezen optreden. Met anti-reflex coatings op het oppervlak kan men echter toch bereiken dat ongeveer 1/4 van alle ingestraalde energie wordt geabsorbeerd. Voor silicium kan men niet veel hoger komen.

De door fotonabsorptie beweeglijk gemaakte elektronen moeten gescheiden worden van de atomen waar ze uit zijn gesprongen en waar ze gaten in achterlaten. Voor die scheiding zorgt een elektrisch veld E dat men opwekt in een overgang tussen zogenaamd p- en n-materiaal van de halfgeleider in kwestie. In silicium maakt men p-materiaal door een geringe toevoeging van borium, dat beweeglijke elektronen invangt zodat er een overschot aan gaten met een positieve lading ontstaat. Evenzo maakt men daarin n-materiaal door een geringe toevoeging van fosfor, dat beweeglijke elektronen met een negatieve lading toevoegt. In de p-n overgang bereikt men een veld E van 105 tot 106 Vm-1. Deze waarde is niet voor grote verbeteringen vatbaar. Dat de grootte van E belangrijk is, blijkt uit het volgende.

We moeten nu namelijk spreken over de beperkte tijd τ dat de losgemaakte elektronen ook los blijven. Tijdens hun beweging door het materiaal komen ze voor valkuilen door onzuiverheid en gebrek aan regelmaat in de atoomstapeling. In de praktijk is de bovengenoemde verboden zone daarom niet echt verboden, maar bezet met lokale storingstoestanden. Men kan de levensduur in verband brengen met de toestandsdichtheid in de verboden zone: hoe hoger die is, hoe kleiner τ. Voor een oordeel over de materiaaleisen moeten we dus weten hoe kort τ mag zijn. Hier liggen de hoge kosten, want de fabricage van materiaal met een hoge graad van zuiverheid en regelmaat is duur. Welnu, τ moet lang genoeg zijn om de losgemaakte elektronen op elektroden te kunnen verzamelen. Of

L= τμE>d

Hier is L de diffusielengte van de elektronen, gegeven door het produkt van de levensduur τ, de beweeglijkheid μ en het elektrische veld E, en d is de elektrode-afstand. (Men maakt de elektroden van een dunne laag geleidend oxyde van indium met wat tin, die het zonlicht niet absorbeert.) De beweeglijkheid wordt voornamelijk bepaald door de sterkte van de verstrooiing van gaten aan onzuiverheden en onregelmatigheden in het materiaal. Nu hebben we nog niets vastgelegd, tenzij er een fysische - geen technologische - grens wordt gesteld aan de afstand d. Zo'n grens bestaat:

xd > 1 ,

als x de absorptiecoëfficiënt is van de fotonen in de onmiddellijke omgeving van de p-n overgang. En x is een materiaaleigenschap die, voor de foton-energieën waar het om gaat, 105 tot 106 m-1 is.

Door de hoge materiaalkosten voor zuiverheid en regelmaat is het zinvol om de cellen zo dun mogelijk te maken en om ze eventueel door een goedkoop glazen substraat te ondersteunen. De dikte kan dan tot 10-6 m of iets meer worden beperkt en met een opdamptechnologie worden gerealiseerd. Die technologie leidt echter tot een amorfe vorm van het silicium.

Amorf silicium is niet kristallijn geordend, met een grote regelmaat in de stapeling en in de onderlinge oriëntatie van de atomen, maar enigszins ongeordend als een glasachtig materiaal. Door de wanorde gaat het halfgeleidende karakter verloren, omdat de tetraëdrische oriëntatie van de atomen ten opzichte van elkaar niet meer goed past. Men heeft ontdekt dat waterstof in dit materiaal de halfgeleidende eigenschap herstelt, omdat het de mispassing elektronisch ten dele weer goed kan maken. Wel blijft de dichtheid van niet passende ('losse') bindingen tamelijk hoog: 1021 tot 1022 m-3. Een film van amorf en halfgeleidend silicium is betrekkelijk eenvoudig, en dus goedkoop, te maken door neerslag uit gasvormig silaan, waarin een glimontlading wordt opgewekt.

Bij het ontwikkelen van zonnecellen uit deze wanordelijke films moet gewoekerd worden om te voldoen aan een eis die uit de twee bovenstaande formules volgt:

τμ>(xE)-1>10-10mV-1,

Het gebrek aan regelmaat maakt niet alleen τ klein, maar ook μ. Een praktische combinatie is 10-6 s voor de levensduur en 10-4 mV-1s-1 voor de beweeglijkheid.

Door beheersing van de neerslagtechniek probeert men een zodanige toestandsdichtheid in de verboden zone te bereiken dat τ > 10-6s. De vooruitgang in deze techniek is langzaam maar zeker, want sinds 1983 is het rendement van zonnecellen uit amorf silicium boven 1/10 en sinds 1987 boven 1/8. Ook al is het maar half zo hoog als met perfect silicium bereikt kan worden, toch is dit een zeer bruikbaar rendement.

Er is echter met deze cellen een probleem dat nog om een oplossing vraagt. Ze zijn niet stabiel. Door inwerking van zonlicht neemt de dichtheid van niet passende ('losse') bindingen langzaam toe. Het resultaat is dat τ en μ kleiner worden, zodat het rendement afneemt. Door opwarming kan men de oorspronkelijke dichtheid van die bindingen echter weer terug krijgen. Er is dus sprake van een omkeerbaar proces waarbij bindingen worden gebroken en hersteld, vermoedelijk als gevolg van de verplaatsing van waterstofatomen. Wie dit proces begrijpt en dan weet te stoppen levert een grote bijdrage aan de gebruikswaarde van amorf silicium.

Ik vind het fascinerend dat een groot maatschappelijk belang, zoals goedkope en betrouwbare zonneëlektriciteit, af kan hangen van wat kennis over de beweging van atomen.


Free web hostingWeb hosting