Flextra werkt... duurzaam in techniek
Flextra werkt... duurzaam in techniek

Nieuwe productietechniek voor goedkope zonnecellen

Promovendus Michael Wank aan de TU Delft heeft de productiesnelheid van zonnecellen uit amorf silicium verhoogd. De productiesnelheid van deze cellen, die in principe goedkoper zijn te maken dan traditionele zonnecellen, ging met een factor vijf omhoog: van 0,2 naar 1 nm per seconde.

 

Het belangrijkste onderdeel van de zonnecel is een stuk halfgeleidend materiaal, waarvoor multikristallijn silicium het meest gebruikt wordt. Naast kristallijn silicium is het echter mogelijk om voor amorf silicium te kiezen, dat geen regelmatig atoomrooster bezit.

 

Het gebruik van amorf silicium maakt het productieproces van de zonnecel goedkoper, omdat er bij dit materiaal dunnere laagjes (250 nanometer dik) nodig zijn dan bij kristallijn silicium (200 micrometer dik).

 

Traag

Een nadeel van amorf silicium is dat het productieproces erg traag verloopt. Met het gebruik van een nieuwe productietechniek is het Wank gelukt om dit proces te versnellen, waarbij het rendement van zeven procent (57 kilowattuur per jaar per vierkante meter met het instralings­niveau van Nederland) behouden bleef.

 

Tot op heden gebruikten fabrikanten plasma-versterkte chemische damp depositie (PECVD) voor het maken van dunnefilm-zonnecellen. Hierbij worden laagjes uit silaangas opgedampt en op een substraat gedeponeerd. Het plasma staat hierbij in direct contact met het substraat.

 

Ontladingsboog

Wank maakte tijdens zijn onderzoek gebruik van expanding thermal plasma (ETP) CVD. Deze productietechniek is eind jaren tachtig ontwikkeld aan de TU/e door de Plasma and Material Processing groep onder leiding van prof. Daan Schram. ‘Bij deze remote plasma productietechniek wordt het plasma gegenereerd in een aparte ruimte binnen het apparaat, waardoor het mogelijk is om dit plasma aan te passen zonder dat dit invloed heeft op het substraat’, vertelt dr. René van Swaaij, hoofddocent photovoltaic materials and devices aan de TUD.

 

Het plasma komt vanuit een ontladingsboog in een vacuümkamer, waar het expandeert. Vervolgens wordt silaan in het expanderende plasma geïnjecteerd, waar het reageert met argon en waterstof. Het materiaal wordt hierna gedeponeerd op het substraat dat op ongeveer veertig centimeter van de uitstroomopening ligt. Van Swaaij: ‘Dit substraat bestaat uit glas met een laagje transparant conductive oxide (TCO).’

 

De ETP-CVD depositietechniek werkt optimaal bij een temperatuur van ongeveer 350 graden Celsius, een temperatuur die te hoog is voor het substraat. Daarom moest Wank de temperatuur omlaag zien te krijgen. Om dit te bewerkstelligen voerde hij op een andere manier energie toe, met een zogenaamd ionenbombardement. ‘Door op het substraat een negatieve spanning aan te brengen zullen ionen in het plasma versneld naar het oppervlak bewegen’, aldus Van Swaaij.

 

In vijf minuten

Met behulp van de nieuwe techniek is de snelheid waarmee de siliciumlagen gedeponeerd worden toegenomen van 0,2 tot 1 nm per seconde, wat inhoud dat een laagdikte van driehonderd nanometer in vijf minuten is aan te brengen. Van Swaaij: ‘In kortere tijd kunnen nu meer zonnecellen worden gemaakt. Dit maakt deze cellen weer goedkoper. Naast de hogere snelheid kunnen de benodigde machines bij deze techniek ook kleiner blijven, waardoor de investeringskosten lager zijn.’

Zonnecelfabrikant Helianthos heeft aangegeven interesse te hebben in de nieuwe depositietechniek, maar het is onbekend of de fabrikant de methode op korte termijn gaat toepassen.