Onderzoekers van TNO hebben zonnecellen ontwikkeld die geen zilveren, maar koperen contactlaagjes hebben. Koper is namelijk een stuk goedkoper en minder schaars dan zilver. Het onderzoek laat zien dat zonnecellen met koper een vergelijkbare efficiëntie kunnen bereiken als zilver.

Als je de verwachte groei van zonne-energie en de huidige PV-techniek naast elkaar legt, kan in 2030 de helft van de jaarlijkse wereldwijde zilverproductie gebruikt worden voor zonnepanelen. Ondertussen wordt deze grondstof steeds schaarser en duurder. “De kosten van een zonnecel bestaan natuurlijk niet alleen uit de kosten van zilver, maar het is wel een significant aandeel daarvan”, zegt Harald Kerp, senior business developer advanced solar technologies bij TNO.

Daarom zijn er alternatieven nodig. Zoals koper: dat is een goede stroomgeleider, honderd keer goedkoper en duizend keer minder schaars dan zilver. Koper kan al langer in zonnecellen gebruikt worden, maar met een lagere efficiëntie dan zilver.

Om koper een volwaardige vervanger te maken, zijn TNO-onderzoekers de efficiëntie van de koper-zonnecellen gaan verbeteren. Dat onderzoek is onderdeel van een TKI Urban Energy project en SolarNL. De hoofdpartner is MCPV, een Nederlandse start-up die zonnecellen produceert.

Van zilverpasta naar koperpasta

In het onderzoek werd gewerkt met heterojunctie siliciumcellen, een type silicium-zonnecel dat bij relatief lage temperatuur geproduceerd wordt. Daarbij gaat het om de contactlaagjes: de lijntjes die je met name op wat oudere zonnepanelen goed kan zien. Het is de kunst om een zo dun mogelijk lijntje te maken om zo min mogelijk schaduw te creëren, die tegelijkertijd hoog genoeg is om de stroom goed te kunnen afvoeren. “Die dunne contactlijntjes worden aangebracht met een zeefdrukproces. Er wordt dan een zilverpasta of koperpasta op hoge snelheid door zo’n nauwe opening van een zeef gedrukt”, legt Kerp uit.

“Dat proces is voor zilver zo goed als geoptimaliseerd, maar voor koper was dat nog minder vergevorderd.” Om dat proces ook voor koper efficiënter te maken, zijn in het TNO-onderzoek belangrijke stappen gezet. De prestaties van de koper-zonnecellen presteren vergelijkbaar met de zilveren, het verschil in prestatie is slechts 1 procent.

Kerp: “Het is aan de bedrijven om die afweging te maken: een heel klein beetje verlies aan performance, dat waarschijnlijk meer dan goed wordt gemaakt omdat ze minder hoeven te betalen voor de koperpasta vergeleken met zilverpasta.”

Het gebruiken van koper in plaats van zilver is eenvoudig in te passen in het productieproces van zonnepanelen. Dezelfde bestaande (zeefdruk)productietechnologie, en daarmee bestaande machines, kunnen gebruik worden. “Het zeefdrukproces is eigenlijk voor een groot deel hetzelfde, en kan voor een groot deel met dezelfde machines.”

Voordat zonnepaneelfabrikanten zonnecellen met koper op de markt brengen, zullen ze duidelijkheid willen over de levensduur van koper-zonnecellen. Koper is namelijk gevoeliger dan zilver voor omgevingsfactoren zoals temperaturen en vochtigheid en zou daarom een kortere levensduur kunnen hebben. TNO heeft al de eerste levensduurtesten uitgevoerd, voor vervolgonderzoek wordt momenteel nog financiering gezocht.

Nieuwe generatie zonnecellen

Het gaat in dit onderzoek dus om heterojunctie siliciumcellen, die momenteel nog niet veel gebruikt worden. “Het is nu nog maar zo’n 5 procent van de wereldwijde productiecapaciteit, maar wij verwachten dat het wel richting de 15 tot 20 procent gaat in 2030.”

Ook voor de zonnecel-generatie daarna is dit onderzoek naar heterojunctie-cellen relevant, zegt Kerp. “De volgende generatie cellen, dat is tandem. Dat is een combinatie van silicium met een dunne film van waarschijnlijk perovskiet. En voor tandem is juist die heterojunctie silicium waar wij aan werken het meest geschikt. Dus die kopermetallisatie die zou ook heel goed toegepast kunnen worden op tandem cellen die binnen nu en een paar jaar op de markt gaan komen.”

Om zo’n productie in Nederland of Europa op te zetten, zijn wel de juiste incentives nodig, stelt Kerp. “Het is een kwestie om dat voldoende prioriteit te geven op overheidsniveau en in Brussel, om met de juiste beschermede en stimulerende maatregelen te komen om die eigen industrie op te bouwen.”

“Op eigen kracht redden die bedrijven het niet, daar zijn ze nu nog te klein voor, je hebt schaalvoordelen nodig om de kosten omlaag te kunnen brengen, dus om dat eerste stukje van de ontwikkeling en schaalvergroting te ondersteunen is duidelijke en krachtige overheidssteun nodig.”