Micrometrische fotovoltaïsche cellen een ‘technologische doorbraak’ voor miniaturisatie van apparaten

In een tijdperk waarin duurzame energieoplossingen crucialer dan ooit zijn, staat de evolutie van fotovoltaïsche (zonne)technologie voorop in innovatie.  Een recent voorbeeld hiervan komt van de Universiteit van Ottawa (U of O), waar een team van wetenschappers met succes “een wereldprimeur heeft bereikt door de eerste back-contact micrometrische fotovoltaïsche cellen te vervaardigen.”  Dit wordt beschreven als een “cruciale stap” in het faciliteren van de voortdurende miniaturisatie van elektronica.

Het team dat verantwoordelijk is voor deze doorbraak werd geleid door,

• Mathieu de Lafontaine, een postdoctoraal onderzoeker aan de U of O en parttime natuurkundedocent
• Karin Hinzer, vice-decanus onderzoek en University Research Chair in fotonische apparaten voor energie aan de Faculteit Ingenieurswetenschappen

Hoewel de U of O centraal stond in deze doorbraak, werd het team ook ondersteund door de Université de Sherbrooke in Quebec en het Laboratoire des Technologies de la Microélectronique in Grenoble, Frankrijk.

Wat zijn fotovoltaïsche cellen?

Fotovoltaïsche cellen, algemeen bekend als zonnecellen, zijn apparaten die zonlicht direct omzetten in elektriciteit.  Ze werken volgens het principe van het fotovoltaïsche effect, waarbij lichtenergie (fotonen) die op halfgeleidende materialen zoals silicium valt, een elektrische stroom induceert.  Dit proces vindt plaats wanneer de fotonen elektronen uit hun atomaire banen verdringen, waardoor een stroom van elektrische lading ontstaat.

Deze cellen vormen de fundamentele bouwstenen van zonnepanelen en zijn cruciaal voor het benutten van zonne‑energie, een hernieuwbare en schone energiebron.  De recente vooruitgang van de U of O in het ontwikkelen van micrometrische fotovoltaïsche cellen betekent een belangrijke sprong in deze technologie, met efficiëntere en compactere oplossingen.

Wat zijn ‘Back-Contact Micrometrische Fotovoltaïsche Cellen’?

Zoals eerder vermeld, vertegenwoordigen back‑contact micrometrische fotovoltaïsche cellen een baanbrekende vooruitgang in zonne‑technologie.  In tegenstelling tot traditionele zonnecellen, waarbij de elektrische contacten zich op de voor- en achterkant bevinden, hebben back‑contactcellen al hun elektrische contacten aan de achterzijde.

Dit unieke ontwerp vermindert het schaduweffect dat door elektroden op het oppervlak van de cel wordt veroorzaakt aanzienlijk, waardoor het vermogen van de cel om zonlicht op te vangen wordt vergroot.

Wat is het ‘schaduweffect’?

Het ‘schaduweffect’ in zonnecellen verwijst naar de belemmering van zonlicht veroorzaakt door de aanwezigheid van elektrische contacten op het oppervlak van de cel.  Traditionele fotovoltaïsche cellen hebben metalen contacten (meestal van zilver of aluminium) op het bovenvlak die de door de cel gegenereerde elektrische stroom verzamelen en transporteren.

Deze contacten kunnen echter een deel van het binnenkomende zonlicht blokkeren, waardoor het niet bij het fotovoltaïsche materiaal eronder kan komen.  Deze blokkade vermindert de hoeveelheid licht die beschikbaar is voor omzetting in elektriciteit, waardoor de algehele efficiëntie van de zonnecel afneemt.

Bron: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

Het verminderen van dit schaduweffect is om verschillende redenen cruciaal:

1. Verhoogde efficiëntie: Door het gebied dat door contacten wordt bedekt te minimaliseren, kan een groter deel van het celoppervlak actief deelnemen aan lichtabsorptie en omzetting naar elektriciteit.  Dit verbetert de algehele efficiëntie van de cel, waardoor deze meer vermogen kan genereren uit dezelfde hoeveelheid zonlicht.
2. Kosteneffectiviteit: Een hogere efficiëntie betekent dat dezelfde hoeveelheid energie kan worden geproduceerd met minder cellen.  Als gevolg hiervan kan de totale kostprijs van zonnestroomsystemen worden verlaagd, waardoor zonne‑energie concurrerender wordt ten opzichte van andere energievormen, en de toegankelijkheid voor een bredere gebruikersgroep toeneemt.
3. Veelzijdigheid en ontwerpmogelijkheid: Het verminderen van schaduw maakt meer innovatieve en flexibele zonnecelontwerpen mogelijk.  Het kan leiden tot de ontwikkeling van cellen die niet alleen efficiënter zijn, maar ook dunner en lichter, wat bijzonder voordelig kan zijn voor toepassingen met ruimte‑ en gewichtsbeperkingen, zoals in de lucht‑ en ruimtevaart, draagbare apparaten en geïntegreerde bouwoplossingen.

Het verminderen van het schaduweffect is essentieel voor de vooruitgang van zonne‑technologie – wat nu wordt aangepakt met deze back‑contact micrometrische fotovoltaïsche cellen.  Als gevolg hiervan kunnen we binnenkort efficiëntere, kosteneffectievere en veelzijdigere zonnecellen verwachten die uiteindelijk zullen bijdragen aan de bredere adoptie van zonne‑energie als een duurzame energiebron.

Waarom is miniaturisatie belangrijk?

Naast het verminderen van het schaduweffect in traditionele fotovoltaïsche cellen, maakt back‑contact een sterk verbeterde miniaturisatie mogelijk.  Dit is cruciaal in de elektronica‑ en hernieuwbare‑energietechnologieën omdat het een efficiënter gebruik van ruimte en middelen mogelijk maakt, terwijl de prestaties worden verbeterd.

Het miniaturisatie‑ of ‘micrometrische’ aspect van deze cellen betekent dat ze ongeveer twee keer zo dik zijn als een mensenhaar.  Als gevolg hiervan kunnen deze kleinere, efficiëntere fotovoltaïsche cellen, ontwikkeld door de U of O, de productiekosten aanzienlijk verlagen (naar verluidt tot wel een drievoudige daling).

“Deze technologische doorbraak belooft aanzienlijke voordelen voor de samenleving. Minder dure, krachtigere zonnecellen zullen helpen de energietransitie te versnellen.

“Lichtgewicht nucleaire batterijen zullen ruimteverkenning vergemakkelijken, en miniaturisatie van apparaten zal bijdragen aan de groei van het internet der dingen en leiden tot krachtigere computers en smartphones” – Mathieu de Lafontaine

Interessant genoeg gaat deze miniaturisatie niet alleen over het kleiner maken van apparaten; het gaat erom ze slimmer en beter aanpasbaar aan verschillende omgevingen te maken.  In de context van een steeds meer verbonden wereld, waar het Internet of Things (IoT) en slimme technologieën alomtegenwoordig worden, kunnen geminiaturiseerde fotovoltaïsche cellen een reeks apparaten van stroom voorzien zonder de beperkingen van traditionele energiebronnen.

Zo kan deze vooruitgang een groenere, duurzamere benadering van energieopwekking en -verbruik mogelijk maken, en direct bijdragen aan de verschuiving naar een koolstofneutrale economie.

Waar worden ze gebruikt?

Fotovoltaïsche cellen hebben een breed scala aan toepassingen die voortdurend groeien met vooruitgangen zoals back‑contactfabricage.  Deze veelzijdigheid en aantrekkingskracht zijn grotendeels te danken aan hun vermogen om elektriciteit op een schone, hernieuwbare manier op te wekken.

Naast conventionele energieopwekking zijn ze integraal in afgelegen en draagbare energiesystemen, zoals die gebruikt worden bij ruimteverkenning, waar ze satellieten en ruimtevaartuigen van stroom voorzien.

Met de miniaturisatie van deze cellen breiden hun toepassingen zich uit naar compactere elektronische apparaten, wat potentieel industrieën zoals telecommunicatie en het Internet of Things (IoT) kan transformeren.  Zoals eerder vermeld, kan miniaturisatie leiden tot efficiëntere, compactere en veelzijdigere zonne‑energieoplossingen, waardoor het toepassingsgebied van fotovoltaïsche technologie wordt vergroot.

Industrie spelers

Op dit moment zijn er enkele opmerkelijke bedrijven die de groei binnen de sector duurzame energie stimuleren en zich richten op zonne‑toepassingen.  Hieronder staan enkele van deze bedrijven, samen met meerdere noemenswaardige aanvullingen.

1.  NextEra Energy Resources

NEE Prijsgrafiek

NextEra Energy (NEE ) Resources, een dochteronderneming van NextEra Energy, maakt aanzienlijke vooruitgang in de zonne‑energiesector.  In het eerste kwartaal van 2023 voegde het bedrijf ongeveer 2.020 MW aan hernieuwbare en opslagactiva toe aan zijn backlog, waaronder ongeveer 1,3 GW aan zonne‑energie, naast opslag‑ en windactiva.  Deze toevoeging bracht de project‑backlog op meer dan 20,4 GW, wat een sterke toewijding aantoont om zijn portfolio van hernieuwbare energie uit te breiden​​​.

Een opvallend project is het Sebree Solar 400‑MW zonne‑project in Henderson County, Kentucky, dat wordt ontwikkeld door Sebree Solar, een dochteronderneming van NextEra Energy Resources.

Bovendien is NextEra Energy Resources ook betrokken bij een ander 200‑MW zonne‑project via Green River Solar, een andere van haar dochterondernemingen.  Deze initiatieven weerspiegelen de toewijding van NextEra Energy Resources om zonne‑energie te bevorderen als een belangrijke speler op de markt voor hernieuwbare energie.

2.  First Solar

FSLR Prijsgrafiek

First Solar (FSLR ), een vooraanstaand Amerikaans bedrijf dat zich specialiseert in cadmium‑telluride dunne‑film zonne‑modules, heeft in 2023 aanzienlijke vooruitgang geboekt in zonne‑initiatieven.  Met een omzet van 801 miljoen dollar en een verzending van 2,7 GW aan zonne‑modulebestellingen in één kwartaal, toont het bedrijf sterke groei en een nadruk op zonne‑technologie.  Om aan de toenemende vraag te voldoen, breidt First Solar haar productiecapaciteit uit zowel in de VS als internationaal, met als doel een wereldwijde capaciteit van 25 GW tegen 2026 te bereiken.

Opmerkelijk is dat First Solar de productie van bifaciale dunne‑film modules heeft gepionierd, een primeur in de industrie.  Deze innovatieve technologie maakt bifaciale energieopbrengst en hogere energie‑opbrengsten mogelijk, wat een belangrijke vooruitgang betekent in de efficiëntie van zonne‑modules.

3.  SolarEdge Technologies

SEDG Prijsgrafiek

SolarEdge Technologies (SEDG ) wordt algemeen beschouwd als een leider in slimme energietechnologie.  Dit bedrijf heeft in 2023 aanzienlijke vooruitgang geboekt in de zonne‑energiesector, met recordomzet van 943,9 miljoen dollar, waarvan 908,5 miljoen dollar specifiek uit haar zonne‑segment kwam.  Deze prestatie duidt op de robuuste aanwezigheid van SolarEdge in de zonne‑industrie.  In het eerste kwartaal van 2023 alleen verzond SolarEdge 3,6 gigawatt (AC) aan omvormers en 221 MWh aan batterijen, wat haar substantiële bijdrage aan de zonne‑energiemarkt onderstreept​

Opmerkelijke vermeldingen

Slotgedachten

De vooruitgang in fotovoltaïsche celtechnologie, met name door de ontwikkeling van back‑contact micrometrische cellen, vertegenwoordigt een potentiële kwantumsprong in zonne‑energie.  Deze innovatie verbetert niet alleen de efficiëntie en verlaagt de kosten van zonne‑energie, maar opent ook nieuwe horizonten voor de toepassing ervan in diverse sectoren.  Het verminderen van het schaduweffect en de focus op miniaturisatie zijn cruciaal om zonne‑energie naar de voorgrond van hernieuwbare energiebronnen te brengen.

Naarmate we deze technologische stappen omarmen, komen we dichter bij een toekomst waarin wijdverspreide duurzame en schone energie niet slechts een mogelijkheid is, maar een realiteit.