Home / onderzoek en ontwikkeling / Grote verbeteringen rendement van zonnepanelen: van p- naar n-type
Productielijn wafers

Grote verbeteringen rendement van zonnepanelen: van p- naar n-type

Binnen enkele jaren zullen de meeste zonnepanelen geproduceerd worden met n-type sillicium cellen. Er wordt veel onderzoek uitgevoerd naar deze technologieën en de resultaten zijn veelbelovend.

Verbeteringen rendement van zonnepanelen

De belangrijkste doelstelling bij de technologische ontwikkeling van zonnepanelen is kostenverlaging waardoor grid parity wordt bereikt. Het bereiken van grid parity wordt steeds urgenter omdat de subsidies en terugleververgoedingen in de meeste grote PV-markten binnen 2 tot 3 jaar afgebouwd worden. De hogere productiekosten van complexere cellen en panelen worden door schaalvergroting teruggebracht. Efficiëntieverbeteringen van zonnecellen zijn een zeer effectieve manier om de prijs van zonnepanelen per Wattpiek te verlagen. Verlaging van de kostprijs per Wattpiek leidt per saldo tot een lagere prijs per kiloWattuur zonnestroom (€ / kWh).

In 2011 werd ongeveer 84 procent van de zonnepanelen geproduceerd op basis van p-type silicium (Si)-technologie. N-type monokristallijne Si had een marktaandeel van ongeveer vier procent. De overige 12 procent betrof dunne film PV (CdTe, a-Si, etc.). Het grotere aandeel p-type ten opzichte van n-type Si-technologie is historisch bepaald. De allereerste zonnecel – gefabriceerd in 1954 in het laboratorium van Bell werd gemaakt van een monokristallijn n-type Si wafer.

Tot de jaren 80, werden de meeste zonnecellen toegepast in de ruimtevaart (satellieten enz.). P-type Si bleek minder gevoelig voor afbraak door kosmische straling (hoog-energetische deeltjes zoals protonen en elektronen). Daarom werd de ontwikkeling van alle industriële PV-cellen decennialang gebaseerd op p-type silicium.

De belangrijkste productieprocessen zoals emitter diffusie en metallisatie waren alleen beschikbaar voor p-type Silicium wafer substraten. In het laatste decennium, is er veel onderzoek gedaan naar zonnecellen gebaseeerd op n-type Silicium. De resultaten wezen uit dat met n-type silicium een hogere efficiency kan worden gehaald dan met standaard p-type Si. Daarom is er een groeiende belangstelling voor de ontwikkeling en industriële toepassing van n-type Si gebaseerde zonnepanelen en technologieën. Volgens de laatste editie van de International Technology Roadmap for Photovoltaics (ITRPV 03/2012), kan het marktaandeel (van monokristallijne cellen) van n-type in 2015 groeien tot 30 procent.

N-type silicium materiaal

Het uitgangsmateriaal (Si grondstof) voor het produceren van n-type silicium kristallen is hetzelfde type polysilicium als dat voor p-type Si kristallen (op basis van het Siemens-proces). Het verschil zit in het doping proces tijdens kristallisatie: terwijl voor p-type Si boor als doteerstof wordt gebruikt, wordt voor n-type Si-kristallen doorgaans fosfor toegevoegd aan de Silicium ingots.

In de afgelopen 10 jaar is er veel wetenschappelijk onderzoek gedaan naar n-type (voornamelijk fosfor gedoteerd) Silicium materiaal- en celprocessen. Het onderzoek bevestigde dat in vergelijking met standaard p-type (boor gedoteerd) Si zonnecellen, n-type silicium cellen twee belangrijke voordelen hebben. Ten eerste hebben ze geen last van door licht geïnduceerde afbraak (LID) veroorzaakt door de gelijktijdige aanwezigheid van boor en zuurstof in de wafers (een fenomeen dat in standaard p-type silicium zonnecellen leidt tot een vermindering van het paneelvermogen van meestal twee tot drie procent binnen de eerste weken na de installatie. Ten tweede zijn n-type Si wafers minder gevoelig voor verontreinigingen die gewoonlijk aanwezig zijn in de silicium grondstof. Hierdoor hoeven minder inspanningen te worden gedaan om n-type Si wafers te verkrijgen met een hoge elektronische kwaliteit. Daarom kunnen n-type zonnecellen met een hoger rendement worden geproduceerd dan p-type zonnecellen. Verder onderzoek moet uitwijzen in hoeverre het rendement nog verder kan toenemen.

Aangetoond is dat met hetzelfde kosteneffectieve Czochralski (CzSi) proces zeer hoge kwaliteit monocrystalline n-type wafers met een hoge diffusielengte van de ladingsdragers kan worden bereikt. Daarnaast hebben de wafers geen last van degradatie onder invloed van licht. De n-type cellen kunnen worden vervaardigd in een geautomatiseerd industrieel proces.

Een van de uitdagingen met betrekking tot het wafer materiaal is de homogeniteit van de elektrische eigenschappen in het siliciumkristal. Vergeleken met standaard p-type (boor gedoteerd) Si, vertonen n-type (fosfor gedoteerd) Si kristallen een grotere spreiding van specifieke elektrische weerstand. Terwijl voor boor-dotering, een bereik tussen 1 en 3 ohm centimeter (Qcm) met gemak wordt gehaald, neemt in het geval van fosfor doping, dit bereik toe van 3 tot 12 Qcm of meer. Standaard cellen vereisen een smalle verdeling van de weerstand om wafers uit ingots te produceren met eeb gelijkmatige efficiëntie

Een grote variatie in de weerstand van de n-type Si kristallen vermindert de opbrengst van de celproductie waardoor de totale productiekosten toenemen. Er zijn veel n-type “float zone silicium” (FzSi) en veel “CzSi wafer” leveranciers op de markt. Sommige van hen leveren ook 156 bij 156 mm2 (6 inch) wafers. Voorbeelden van dergelijke bedrijven zijn Topsil, Norsun, Pillar, MEMC, BOSCH en LDK onder anderen.

Een oplossing is de ontwikkeling van cel ontwerpen die minder gevoelig zijn voor de basis weerstand, is een andere methode van ingot groei, gebaseerd op een continue toevoer van Si grondstof. Dergelijke continue Cz-pulling technologieën, gericht op zeer homogene en hoogwaardige elektrische eigenschappen (levensduur en weerstand) zijn momenteel in ontwikkeling. Bedrijven die deze technologie toepassen zijn bij voorbeelden GT Advanced Technologies (Confluence) en SunEdison (Solaicx). Ingots van deze bedrijven zijn reeds in de handel verkrijgbaar.

Industriële technieken voor de productie van zonnecellen

Er zijn drie typen n-type zonnecellen:

  • Voorzijde boor emitter H-patroon
  • Achterzijde emitter H-patroon
  • Achterzijde emitter met achterzijde contacten

Alle genoemde n-en p-type technologieën hebben hun beperkingen in termen van prestaties, voornamelijk door kwaliteit van het substraat, kwaliteit van oppervlakte en schaduweffecten aan de voorzijde.

De standaard p-type zonnecel met een homogene emitter en aluminium achterzijde (Al-BSF) heeft een maximum rendement van ongeveer 19 procent bij de huidige passiverings- en metallisatie concepten. Als selectieve emitters worden toegepast is 19,5 procent haalbaar, en wanneer er wijzigingen worden aangebracht aan de achterzijde (de zogenaamde passieve emitter en achterzijde contactcel, of PERC concept), kan 20 procent worden bereikt (b.v. Centrotherm met Centaurus concept).

Gebruikt men een open metalen achterkant (H-patroon) cellen met passieve gebieden tussen de vingers, zoals bij de Panda n-aanpak (achterzijde reflectie met passivering van het potentiele vermogen dan is een efficiency van 21 procent haalbaar. Dergelijke cellen kunnen ook worden gebruikt voor installaties waarbij het paneel zowel aan de voorzijde als de achterzijde licht kan opvangen (glas op glas). Hierdoor kan het rendement (kWh / kWpiek) tot maximaal 25 procent worden verhoogd. De cellen met het hoogste potentiele rendement zijn de “Heterojunctie met Intrinsic Thin layer” (HIT) en Interdigitated Back Contact (IBC) concepten. De cellen kunnen en rendement bereiken van boven de 23 procent. Deze cel concepten van Sanyo en SunPower zijn zeer complex en hebben veel hogere kostprijs per watt piek.

Het grootste deel van de geproduceerde zonnecellen wordt nog gebaseerd op p-type dotering, met bewerking met een standaard selectieve emitter. Veel fabrikanten overwegen toepassing van het PERC concept (Passivated Emitter Rear Contact) in hun productielijnen. De grootste rendementsverbeteringen worden bereikt door bedrijven die n-type zonnecellen toepassen.

Zonnepanelen met het hoogste rendement

Onder andere de volgende bedrijven bieden reeds panelen aan gebaseerd op n-type zonnecellen:

Het Nationale Energiecentrum (ECN) heeft afgelopen jaren baanbrekend onderzoek gedaan naar rendementsverbeteringen bij de productie van zonnepanelen. In samenwerking met Nederlandse producenten van productielijnen voor zonnecellen en panelen past men de nieuwe technieken wereldwijd toe in de fabrikanten van grote fabrikanten

N-type zonnecellen zullen steeds belangrijker worden. Echter, naast de verbetering van de zonnecellen, is het noodzakelijk om ook de panelen zelf te optimaliseren, zodat de betere prestaties van de cellen niet verloren gaan. Denk hierbij aan materiaalbesparing, de verbetering of vervanging van de absorberende EVA door siliconen (bijvoorbeeld Dow Corning, Wacker, Momentive en anderen), en de vervanging van soldeer- door lijmtechnieken (bijvoorbeeld Hitachi Chemical, Henkel, Sony, Soltabond , en anderen).

Lagere prijzen per Wattpiek en kWh

Wanneer al deze processen worden toegepast en geoptimaliseerd, zullen zonnepanelen een rendement van ruim boven de 20 procent behalen, met een verbeterde stabiliteit van het paneelvermogen tijdens de levensduur en met een lagere kostprijs (zowel in € / kWp en € / kWh) ten opzichte van de huidige standaard PV-technologie. Dankzij alle wetenschappelijke en technologische inspanningen zullen deze verbeteringen binnen 2 jaar gerealiseerd worden.

Wilt u ook een offerte voor zonnepanelen met een hoog rendement neem dan contact op met onze adviseurs.

About Cees van de Werken

Check Also

UVA onderzoekt de motieven voor particuliere investeerders in zonnepanelen

Onderzoek: zijn zonnepanelen een klasse apart?

Investeren in zonnepanelen(PV systemen) is enorm populair. Afgelopen jaar groeide de hoeveelheid opgewekte elektriciteit door …

One comment

  1. Leuk artikel,

    gaan we daar komende jaren op wachten.

    Mailt u weer als ze er zijn?

Geef een reactie

Jouw e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd met *