Door technologische vooruitgang en de schaalvergroting van de industrie dalen de kosten van fotovoltaïsche (PV) energieopwekking voortdurend, waardoor het een cruciale energiebron voor duurzame ontwikkeling in de toekomst wordt.
Belangrijkste componenten van fotovoltaïsche technologie
De kerncomponent van fotovoltaïsche energieopwekkingstechnologie is de zonnecel. De evolutie van zonnecellen kan worden onderverdeeld in drie generaties. De eerste generatie bestaat uit op silicium gebaseerde zonnecellen; de tweede generatie omvat dunnefilmzonnecellen; en de derde generatie omvat nieuwe technologieën zoals hooggeconcentreerde fotovoltaïsche (HCPV) cellen, organische zonnecellen, flexibele zonnecellen en kleurstofgevoelige zonnecellen. Momenteel domineren op silicium gebaseerde zonnecellen de markt, terwijl dunnefilmcellen geleidelijk aan marktaandeel winnen. De meeste cellen van de derde generatie, met uitzondering van HCPV, bevinden zich nog in de onderzoeksfase.
Zonnecellen op basis van silicium
Van de op silicium gebaseerde zonnecellen is de technologie met monokristallijn silicium het meest ontwikkeld. De efficiëntie en kosten van deze cellen worden voornamelijk beïnvloed door het productieproces, dat stappen omvat zoals het gieten van staven, het snijden van wafers, diffusie, texturering, zeefdrukken en sinteren. Zonnecellen die via dit conventionele proces worden geproduceerd, behalen doorgaans een foto-elektrische conversie-efficiëntie van 16-18%.
Monokristallijne siliciumzonnecellen hebben het hoogste rendement, maar zijn ook het duurst. Polykristallijne siliciumzonnecellen bieden een aanzienlijke kostenbesparing doordat ze rechtstreeks grote, vierkante siliciumblokken produceren die geschikt zijn voor massaproductie. Dit proces is eenvoudiger, energiezuiniger, spaart siliciummateriaal en vereist een lagere materiaalkwaliteit.
De kosten van zonnecellen kunnen worden verlaagd door twee belangrijke strategieën: het verminderen van het materiaalverbruik (bijvoorbeeld door de dikte van de siliciumwafels te verkleinen) en het verhogen van de conversie-efficiëntie. Methoden om de efficiëntie te verbeteren zijn onder andere het verhogen van de lichtabsorptie (bijvoorbeeld door oppervlaktestructurering, antireflectiecoating en het verkleinen van de breedte van de voorste elektrode), het verminderen van de recombinatie van fotogegenereerde ladingsdragers (bijvoorbeeld door emitterpassivering) en het minimaliseren van de weerstand (bijvoorbeeld door lokale doping of back surface field-technologie).
De hoogst gemeten conversie-efficiëntie voor monokristallijne siliciumzonnecellen bedraagt 24,7%, behaald door de PERL-zonnecel van de Universiteit van New South Wales. Belangrijke technologische kenmerken zijn onder andere een lage fosfordopingconcentratie op het siliciumoppervlak om oppervlakterecombinatie te verminderen, een hoge diffusieconcentratie onder de elektroden aan de voor- en achterzijde om goede ohmse contacten te vormen, en het gebruik van fotolithografie om de elektroden aan de voorzijde smaller te maken, waardoor het lichtabsorptieoppervlak wordt vergroot. Deze technologie is echter nog niet geïndustrialiseerd.
Andere technieken om de efficiëntie te verbeteren zijn onder andere de cellen met gegroefd oppervlak en de back-contact (EWT)-technologie van BP Solar. De eerste bereikt een efficiëntie van 18,3% door middel van lasergroeven, waardoor de breedte van de voorste elektroden wordt verkleind en de lichtabsorptie toeneemt. De tweede bereikt een efficiëntie van 21,3% door de voorste elektroden naar achteren te verplaatsen, waardoor het lichtabsorberende oppervlak wordt vergroot.
Dunnefilmzonnecellen
Hoewel zonnecellen van kristallijn silicium de markt domineren vanwege hun hoge rendement, is het lastig om de kosten ervan aanzienlijk te verlagen vanwege de hoge prijs van silicium. Dunnefilmzonnecellen, die minder materiaal gebruiken, zijn naar voren gekomen als een kosteneffectief alternatief. De belangrijkste typen dunnefilmcellen zijn siliciumgebaseerde dunnefilmcellen, cadmiumtelluride (CdTe)-cellen en koperindiumgalliumselenide (CIGS)-cellen.
Dunnefilmcellen op siliciumbasis zijn slechts 2 micrometer dik en gebruiken ongeveer 1,5% van het siliciummateriaal dat nodig is voor kristallijne siliciumcellen. Afhankelijk van het aantal PN-overgangen kunnen deze cellen enkelvoudige, dubbele of meervoudige overgangen hebben, die elk in staat zijn verschillende golflengten van zonlicht te absorberen. Het hoogste rendement voor enkelvoudige overgangen ligt rond de 7%, terwijl dubbele overgangen een rendement van 10% kunnen bereiken.
CdTe-dunnefilmcellen bieden een hoger rendement (tot 12%) dankzij hun goede lichtabsorptie-eigenschappen. De kankerverwekkende aard van cadmium en de beperkte natuurlijke reserves van tellurium vormen echter uitdagingen voor de ontwikkeling op lange termijn.
CIGS-dunnefilmcellen worden beschouwd als de toekomst van hoogrenderende dunnefilmtechnologie. Door het productieproces aan te passen, kan hun lichtabsorptie worden verbeterd, wat leidt tot hogere conversie-efficiënties. Momenteel bereiken laboratoriumefficiënties 20,1%, terwijl commerciële producten 13-14% halen, waarmee ze de meest efficiënte dunnefilmcellen zijn.
Cellen van de derde generatie
Theoretisch gezien kunnen zonnecellen van de derde generatie een hoge conversie-efficiëntie bereiken. Met uitzondering van HCPV-cellen bevinden de meeste zich nog in de onderzoeksfase. HCPV-cellen maken doorgaans gebruik van III-V-halfgeleidermaterialen, die een hogere hittebestendigheid hebben en een hoge conversie-efficiëntie behouden bij hoge lichtintensiteit. Dankzij de meerlaagse structuur kunnen deze cellen het zonnespectrum nauwkeurig nabootsen, met theoretische rendementen tot 68%. Commerciële productie kan rendementen van meer dan 40% behalen.
Zonnecellen worden ingekapseld in modules, en hun toepassingen hangen af van hun eigenschappen en de marktvraag. Vroege toepassingen waren onder andere communicatiebasisstations en satellieten, later uitgebreid naar woongebieden zoals zonnepanelen op daken. In deze scenario's gaven de beperkte installatieruimte en de behoefte aan een hoge energiedichtheid de voorkeur aan kristallijne siliciummodules. Met de ontwikkeling van grootschalige zonne-energiecentrales en in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV) hebben kostenoverwegingen geleid tot een toename van het gebruik van dunnefilmcellen. Ook milieu- en klimaatomstandigheden spelen een rol bij de keuze voor verschillende technologieën.
Toepassingen van zonnefotovoltaïsche technologie
Om zonne-energie om te zetten in bruikbare elektriciteit is een compleet zonne-energiesysteem nodig. Zonnecellen vormen de basis van dit systeem, dat verder bestaat uit omvormers, batterijen, monitoringsystemen en distributiesystemen.
Classificatie en samenstelling van PV-systemen
Zonne-energiesystemen worden onderverdeeld in systemen die losstaan van het elektriciteitsnet (off-grid) en systemen die op het elektriciteitsnet zijn aangesloten (grid-tied). Off-grid systemen kunnen standalone zijn of hybride.
Standalonesystemen worden doorgaans gebruikt in afgelegen gebieden, communicatiebasisstations en straatverlichting op zonne-energie, en zijn volledig afhankelijk van zonne-energie. Ze omvatten zonnepanelen, omvormers, controllers, batterijen, distributiesystemen en bliksembeveiliging. Batterijen en controllers hebben een aanzienlijke invloed op de kosten en levensduur van het systeem. Hybride systemen combineren zonne-energie met andere bronnen, zoals dieselgeneratoren of windturbines.
Netgekoppelde systemen, die veel gebruikt worden voor zonnepanelen op daken en grootschalige fotovoltaïsche energiecentrales, vereisen geen opslagapparatuur, waardoor de kosten lager zijn. Deze systemen omvatten zonnepanelen, omvormers, distributiesystemen, bliksembeveiliging en monitoringsystemen. Momenteel vertegenwoordigen netgekoppelde systemen 80% van alle zonne-energieprojecten.
Andere PV-energieopwekkingstechnologieën
Naast de technologie van de zonnecellen zijn omvormertechnologie, netintegratie, opslag en intelligente monitoring cruciaal voor PV-energieopwekkingssystemen:
Het vermogen van zonnecellen varieert met de intensiteit van de zonnestraling, wat leidt tot intermitterende werking. Grootschalige integratie in het elektriciteitsnet kan de netprestaties beïnvloeden, waardoor netbeheer en bescherming tegen eilandbedrijf essentieel zijn.
De output van zonnepanelen is gelijkstroom (DC), die via omvormers van hoge kwaliteit moet worden omgezet in wisselstroom (AC).
Het uitgangsvermogen van de module kan worden beïnvloed door factoren zoals temperatuur en schaduw, waardoor systeemmonitoring en alarmsystemen noodzakelijk zijn.
Technologie voor afstandsbediening is essentieel voor zonne-energiecentrales in afgelegen gebieden.
China is toonaangevend in de productie van zonnepanelen, zowel qua kwaliteit als qua schaal. Winstgevende onderdelen binnen de industriële keten zijn onder andere siliciumzuivering, omvormers, monitoringsystemen en de productie van PV-apparatuur. Het realiseren van doorbraken op deze cruciale gebieden is een uitdaging voor de Chinese PV-industrie.
Huidige status en toekomstperspectieven van zonne-energieopwekking
Vanwege de hoge kosten kwam de grootschalige ontwikkeling van zonne-energie pas aan het einde van de vorige eeuw op gang. Aan het begin van de 21e eeuw, met verbeterde efficiëntie en snel dalende kosten, heeft de zonne-energieproductie een snelle groei doorgemaakt, waarbij de geïnstalleerde capaciteit jaarlijks toeneemt. De wereldwijde jaarlijkse geïnstalleerde capaciteit steeg van 1,4 GW in 2000 naar 22,8 GW in 2009. Europese landen zoals Duitsland, Italië en Spanje zijn belangrijke afzetmarkten, waarbij de EU van plan is het aandeel zonne-energie in de totale elektriciteitsvoorziening tegen 2020 te verhogen tot 12%. Ontwikkelingslanden zoals China en India hebben ook plannen voor de ontwikkeling van zonne-energie gelanceerd. Naast communicatiebasisstations, zonnepanelen op daken en zonne-energiecentrales wordt zonne-energie nu ook veelvuldig gebruikt in diverse mobiele apparaten.
Als aanvullende en alternatieve energiebron ontwikkelt zonne-energietechnologie zich snel, met dalende productiekosten. Dankzij voortdurende technologische vooruitgang is zonne-energie, als schone en hernieuwbare bron, klaar om een sleutelrol te spelen in duurzame ontwikkeling.
