Zonnige vooruitzichten

Grafeen, quantum dots, nano-antennes; het regent berichten over veelbelovende materialen voor de toekomst van zonne-energie. Kunnen de bestaande panelen binnenkort het dak af?

Wie naar de recente geschiedenis van het zonnepaneel kijkt, zou bijna denken dat er nauwelijks vooruitgang is geboekt met de diepblauwe panelen die op onze daken liggen. Toen het silicium halverwege de jaren vijftig voor het eerst werd gebruikt om elektriciteit op te wekken, werd 6 procent van het zonlicht omgezet in stroom. Nu halen de beste panelen ongeveer 21 procent.

Een verbetering van 15 procent in meer dan een halve eeuw lijkt niet bepaald de giant leap waar de mensheid op zit te wachten. Zeker nu in laboratoria wordt geëxperimenteerd met materialen die makkelijk het dubbele halen of meer. Je zou bijna denken dat het ouderwetse zonnepaneel heeft afgedaan.

'In geen geval', zegt Wim Sinke, van energieonderzoekscentrum ECN in Petten. Nieuwe technieken kunnen op papier veelbelovend zijn, in de praktijk is de opbrengst van panelen eentiende tot eenderde lager dan die van de beste cellen van een vergelijkbare soort. Kwestie van wetten en praktische bezwaren.

'Bij commerciële toepassingen zoek je naar een optimum van kosten en prestaties, dat is totaal anders dan in een laboratorium, waar je alles uit de kast kunt halen en de best presterende vierkante centimeter kunt uitsnijden', stelt Sinke. Bij de stap van vierkante centimeters naar de praktijk van vierkante meters of zelfs kilometers verdwijnen hele percentages opbrengst in het niets. Sinke: 'Het ontwikkelen van productieprocessen en apparaten voor commerciële panelen van hoge kwaliteit vergt veel tijd.' Kristallijn silicium is het meest volwassen, zodat de beste panelen op onze daken niet veel lager presteren dan de cellen uit het lab.

Dat is onder meer een kwestie van vraag. De laatste jaren is die zo sterk gestegen dat het de moeite heeft geloond te investeren in machines die panelen met hoge rendementen kunnen maken. Tien jaar geleden lag het rendement van silicium panelen nog tussen 12 en 16 procent, nu is dat 14 tot 21 procent, zegt Sinke. 'In productie is er dus een kwart aan rendement bij gekomen. Dat is enorm', aldus Sinke.

Er worden dus flinke stappen gemaakt, maar uit de onderzoekslabs komen resultaten die pas echt tot de verbeelding spreken. Waar blijven de panelen met rendementen van 40 procent of meer?

'Je ziet dat onderzoekers soms een beetje smokkelen als ze resultaten publiceren van nieuwe materialen', zegt René van Swaaij, onderzoeker aan de TU Delft en gespecialiseerd in zogenoemde dunnefilmzonnecellen. 'Soms worden in de media concepten gepresenteerd met een rendement van 70 procent. Alleen blijkt nogal eens dat het gaat om het quantumrendement in een beperkt golflengtebereik.' Wordt zonlicht gebruikt en wordt het werkelijke energierendement gemeten, dan blijkt dat vaak veel lager te zijn. 'We hebben hier enorme getallen voorbij zien komen', zegt Van Swaaij. 'Maar ik geloof het pas als ik het zie.'

In Delft worden tests uitgevoerd bij licht van een gekalibreerd spectrum, met een gekalibreerde intensiteit, vergelijkbaar met licht bij een zogenoemde Air Mass van 1,5 - het lichtspectrum van de zon zoals die in Parijs is - met een intensiteit van 1.000 watt per vierkante meter, een soort standaardmaat. 'Daardoor weten we precies wat erin gaat, en wat eruit komt', zegt de onderzoeker. 'Pas dan kun je een rendement rapporteren dat werkelijk betekenis heeft.'Dat neemt volgens Van Swaaij niet weg dat er interessante concepten in ontwikkeling zijn.

Voor de komende vijf tot tien jaar is het gemakkelijk een voorspelling te doen, zegt Wim Sinke. Daarna wordt het spannend. We blijven de drie typen zonnecellen gebruiken die nu ook al dominant zijn, maar dan in geavanceerder vormen: wafergebaseerd silicium (de zonnepanelen die nu op de meeste daken liggen), dunne films en concentrators.

En dat is prima, stelt de onderzoeker van ECN. Door de enorme prijsdalingen en rendementsverbeteringen van de afgelopen jaren en met alles wat er nog in het vat zit kunnen we alle doelstellingen tot 2020 op onze sloffen halen met variaties op de bestaande technologieën. Wezenlijk nieuwe concepten zijn daarom vooral belangrijk voor de wat langere termijn. Deze moeten ervoor zorgen dat kostendaling en rendementsverhoging nog decennia kunnen doorgaan.

De snelle ontwikkelingen van de afgelopen jaren zijn vooral te danken aan Duitsland. Daar is de afgelopen jaren zo sterk geïnvesteerd in zonne-energie, dat er veel nieuwe productiecapaciteit is gebouwd om aan de vraag te kunnen voldoen. Het aanbod aan panelen is zelfs harder gestegen dan de vraag. Sinke: 'De combinatie van schaalgrootte en overproductie heeft ertoe geleid dat de prijzen van panelen en systemen nu al op het niveau zitten dat eerder voor 2020 werd verwacht.' Nederland, waar nog relatief weinig duurzame energie wordt opgewekt met zonnestroom, kan dankzij Duitsland deze achterstand dus vrij gemakkelijk inhalen.

'De plannen van het kabinet om in 2020 niet 14 maar 16 procent van de energie duurzaam op te wekken, kunnen daarom onverwacht rekenen met een aandeel zonne-energie', zegt Sinke van ECN. Als in 2020 aan zonnestroomcapaciteit 8 gigawatt geïnstalleerd staat in Nederland, per inwoner ongeveer net zoveel als in Duitsland op dit moment, levert dat ruim 5 procent van de totale stroombehoefte. Nu is dat 0,2 procent. Die 5 procent van de stroom komt overeen met 1 procent van de totale energie, ofwel de helft van de verhoging van 14 naar 16 procent.

Niet overal is het rozengeur. De enorme daling van de prijs van panelen heeft de sector geschaad. Sinke: 'Het is nu noodzaak dat de prijzen stabiliseren of minder snel dalen, zodat producenten van zonnepanelen en bedrijven in de sector hun marges kunnen verbeteren.' Gebeurt dat niet, dan komt verdere innovatie in het gedrang.

En er is een nieuwe bedreiging uit onverwachte hoek: de recente opkomst van goedkoop schaliegas in de Verenigde Staten heeft tot gevolg dat elektriciteitsproductie met fossiele brandstof goedkoper wordt. 'Dat is echt een gevaar voor de ontwikkeling van duurzame energie', zegt Sinke.

NOPPEN, BOLLETJES, KOEKEN

Grafeen

Bestaande technieken om zonne-energie op te wekken hebben een relatief laag rendement, vooral doordat maar een beperkt deel van het lichtspectrum wordt gebruikt voor de productie van elektriciteit. Daarom wordt in laboratoria gewerkt aan nieuwe materialen die een groter deel van het zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit. Een veelbelovend materiaal is grafeen, koolstof van één laag atomen dik. Nederlandse onderzoekers hebben ontdekt dat het efficiënt elektrische signalen genereert met het hele spectrum van zonlicht. Wat de ontdekking veelbelovend maakt is dat de fysici Klaas-Jan Tielrooij en Frank Koppens van het fotonica-instituut ICFO in Barcelona erin zijn geslaagd met elektroden werkelijk stroom uit een stukje grafeen te halen.

Nanokegeltjes en -noppen

Een van de problemen van bestaande zonnecellen is dat een deel van het zonlicht wordt gereflecteerd. Het is dus de kunst om al het licht binnen te krijgen en te houden. Nanotechnologie kan helpen een groter deel van het beschikbare licht in de zonnecel te krijgen. Bestaande coatings werken vooral goed bij een bepaalde lichtkleur. Door meerdere typen coating aan te brengen kan de totale werking ervan verbeteren. De echte vooruitgang zit in nanotechnologie. Minuscule nanokegeltjes blijken zeer goed licht van elke kleur te vangen, ontdekten onderzoekers van de Stanford University in 2009. Omdat er meer licht geabsorbeerd wordt, zal het rendement stijgen, is het idee. Onderzoekers van het FOM-instituut Amolf in Amsterdam hebben een vergelijkbare antireflectielaag voor silicium ontwikkeld. De laag - een soort noppenpatroon op nanoschaal - geleidt 99 procent van het opvallende zonlicht de zonnecel in.

Quatum dots

De beste zonnecellen die nu gemaakt worden, zijn gemaakt van galliumarsenide (GaAs). Door aan GaAs quantum dots (minuscule 'bolletjes') toe te voegen, hoopten wetenschappers een soort springplank te maken, waardoor elektronen makkelijker zouden vrijkomen. In theorie zou hierdoor het rendement moeten stijgen. Dit blijkt te werken, maar het effect is beperkt. Probleem is dat de springplank namelijk ook fungeert als een valkuil, waardoor de zojuist verworven vrije ladingsdragers ook weer relatief snel verdwijnen, waardoor het netto rendement van de cel zelfs lager uitvalt.

Nanopannekoeken

Zilveren nanodeeltjes kunnen het rendement van dunnefilmzonnecellen aanzienlijk verbeteren. Hieraan ten grondslag ligt het zogenoemde plasmonisch effect in kleine metaaldeeltjes. Het idee is om minuscule pannekoekjes te maken, die op de siliciumlaag worden gelegd. Deze pannekoekjes met een grootte van rond de 100 nanometer zijn vooral goed in het verstrooien van licht met een langere golflengte. Als onder de laag silicium een tweede laag wordt gelegd met materiaal dat vooral gevoelig is voor langere golflengten, helpt het plasmonisch effect een groter deel van het lichtspectrum op te vangen en om te zetten in elektriciteit. Hierdoor kan het rendement flink verbeteren. In Delft is een proces ontwikkeld waarmee nanostructuren kunnen worden gemaakt met pannekoeken van precies de juiste grootte, door een dunne laag zilver te verwarmen tot 400 graden Celsius.

ZON: NOG GEEN PROCENT

Duurzame energie uit windenergie, waterkracht, zonne-energie en biomassa groeit in Nederland maar mondjesmaat. In 2012 is in totaal 12,2 miljard kilowattuur (kWh) hernieuwbare elektriciteit geproduceerd. Een jaar eerder was nog sprake van 12 miljard kWh, meldde het Centraal Bureau voor de Statistiek deze week. De stijging komt vooral door een uitbreiding van de capaciteit van windmolens. Deze steeg met ruim 100 megawatt tot 2.431 megawatt. Daardoor werd 4 procent meer energie gehaald uit wind. Slechts 0,2 procent van de elektriciteitsbehoefte komt van de zon.

undefined

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden