211service.com
Een betere manier om zonnecellen te maken
Bij het maken van zonnecellen worden siliciumwafels blootgesteld aan temperaturen van meer dan 1.000 °C. Het proces omvat normaal gesproken het gebruik van verwarmingselementen en vereist veel energie.
Een nieuwe optische oven, ontwikkeld door onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, verwarmt zonnewafels door er licht op te richten - een veel efficiënter proces dat ongeveer de helft van de energie verbruikt van een conventionele oven. Belangrijker is dat het nieuwe ontwerp ook licht gebruikt om bepaalde onzuiverheden van de siliciumwafels te verwijderen, een stap die het uitgangsvermogen van afgewerkte cellen kan verbeteren.
Het werk bevindt zich in een vroeg stadium - tot nu toe hebben de onderzoekers het rendement van de resulterende zonnecellen slechts met een half procentpunt verbeterd. Maar op basis van laboratoriumtests denken ze dat ze de efficiëntie met vier procentpunten kunnen verhogen, van ongeveer 16 procent efficiënt tot 20 procent, wat een groot probleem zou zijn in de zonne-energie-industrie, die zelfs een stijging van een half procent viert.
Tijdens de fabricage van zonnecellen zijn bij meer dan één stap hoge temperaturen nodig. Ovens worden gebruikt om doteermiddelen in het silicium te introduceren om elektrische velden in het materiaal te creëren, om elektrische contacten te creëren en om oppervlakken te oxideren om de efficiëntie te verbeteren. De nieuwe oven zorgt ook voor een betere controle van sommige van deze processen, wat de efficiëntie van een zonnecel kan verbeteren.
Het ontwerp van NREL is niet het enige dat licht gebruikt om silicium te verwerken. Snelle thermische verwerkingsovens, gebruikt in de micro-elektronica-industrie, gebruiken ook licht om halfgeleiders op te warmen. Maar de nieuwe ovens gebruiken sterk reflecterende en hittebestendige keramiek om ervoor te zorgen dat het licht alleen wordt geabsorbeerd door een siliciumwafel, niet door de wanden in de oven. Dat maakt het vele malen efficiënter, zegt Bhushan Sopori, de onderzoeker die verantwoordelijk is voor het ovenproject bij NREL.
Door de vorm van het interieur van de oven nauwkeurig te ontwerpen, kunnen de onderzoekers precies bepalen waar het licht wordt gefocust, zodat de wafels gelijkmatig worden verwarmd. Het is niet genoeg om ervoor te zorgen dat de wafel gelijkmatig wordt verlicht - de randen moeten meer licht ontvangen omdat ze sneller warmte verliezen dan de rest van de wafel.
Het proces vermindert de thermische belasting van de wafels en zorgt voor nauwkeurige controle over de chemische reacties die verwarming mogelijk maakt. Nauwkeurige regeling van de snelheden en timing van de verwarming kan ook de elektrische contacten op de zonnecel verbeteren, waardoor de efficiëntie wordt verbeterd. En het maakt het praktisch om een oxidatiestap in te voeren. Oxidatie wordt doorgaans door slechts een paar fabrikanten gebruikt voor hoogwaardige zonnecellen, maar het nieuwe proces zou het goedkoper maken en dus meer fabrikanten in staat stellen het te gebruiken.
Sopori zegt dat NREL processen heeft ontwikkeld die beter profiteren van fotonische effecten dan de snelle thermische verwerkingsovens. Omdat fotonen een interactie aangaan met het silicium, kunnen ze schadelijke onzuiverheden zoals ijzer uit het materiaal laten verdwijnen, terwijl gunstige onzuiverheden zoals boor behouden blijven, wat nodig is om de zonnecel goed te laten presteren.
De onderzoekers hebben de volledige efficiëntieverbetering van vier procentpunten nog niet gerealiseerd, deels omdat de nieuwe verwerkingsstappen niet allemaal compatibel zijn met andere stappen in de conventionele productie. Sopori zegt dat ze werken aan het aanpassen van de andere stappen om optimaal te profiteren van de optische oven.
NREL werkt ook samen met Advanced Optical Systems om een machine te ontwikkelen die niet slechts één wafer tegelijk kan verwerken, zoals bij de labversie, maar tot 2.000. Een dergelijke hoge doorvoer zal nodig zijn als de ovens moeten concurreren met conventionele, die goedkoop te bedienen zijn.