25 september 2015 door Webredactie Communication

Dunne-film silicium zonnecellen vormen een veelbelovende fotovoltaische technologie omdat de grondstoffen waarmee ze worden gemaakt op aarde rijkelijk voorhanden zijn. Ze zijn goedkoop en licht bij toepassing in flexibele zonnemodules. Bij dunne-film zonnecellen doet zich echter het probleem voor dat het absorptiemateriaal zo dun is dat veel licht er gewoon doorheen gaat zonder te worden geabsorbeerd. Vandaag, vrijdag 25 september 2015, promoveerde Hairen Tan cum laude aan de TU Delft met zijn proefschrift over nieuwe materialen en lichtmanagementsystemen waarmee hoogrendabele dunne-film silicium zonnecellen kunnen worden geproduceerd.

Door gebruik te maken van fotonmanagement, lichtvangst, kan de optische dikte en de lichtabsorptie van de zonnecellen worden vergroot. Lichtvangst houdt in dat het licht een zo lang mogelijke afstand door de absorptielaag van de cel aflegt. Tan heeft verschillende innovatieve en efficiente technieken ontwikkeld en toegepast om licht te vangen, zoals plasmonics en gemoduleerde oppervlaktestructuren. Dat heeft geleidt tot dunne-film silicium zonnecellen met een record-efficientie wat betreft de omzetting van zonne-energie in elektriciteit.

Plasmonics

Lichtvangst door plasmonic nanodeeltjes is in potentie efficienter dan de conventionele methoden om licht te vangen. Hairen Tan heeft een eenvoudig op te schalen proces ontwikkeld waarmee nanodeeltjes kunnen worden gecreeerd met een ideale grootte, vorm en oppervlakte. Op de achterkant van de zonnecel bracht hij zilveren nanodeeltjes aan die het licht terugkaatsen naar de cel, waardoor deze meer vermogen produceert. Hairen Tan toonde aan dat dunne-film zonnecellen met nanodeeltjes net zulke goede prestaties kunnen leveren als zonnecellen die op een conventionele manier licht vangen en dat ze in potentie zelfs veel efficienter zijn.

Gemoduleerde oppervlaktestructuren

Hairen Tan heeft een nieuwe oppervlaktemorfologie ontwikkeld voor een substraat voor tandemzonnecellen waarmee licht in beide subcellen efficienter wordt verstrooid en geabsorbeerd. Voor deze benadering op basis van gemoduleerde oppervlaktestructuren combineerde Tan oppervlaktestructuren op micrometerschaal, die werden verkregen door een glazen substraat te etsen, met de structuren op nanoschaal van een transparante elektrode die op het geetste glas werd geplaatst. Een groot voordeel van dit gestructureerde substraat ten opzichte van conventioneel gestructureerde substraten is dat er hoogwaardige siliconenfilms op kunnen worden aangebracht, en dat leidt tot zonnecellen met een ongeevenaarde efficientie.

Tandemzonnecellen met record-efficientie

Tan heeft samengewerkt met het fotovoltaische laboratorium van de EPFL in Neuchatel (Zwitserland) om de zeer transparante elektroden met gemoduleerde oppervlaktestructuren aan te brengen op dunne-film silicium zonnecellen teneinde het optische verlies buiten de absorptielagen zoveel mogelijk te beperken. Het resultaat was een nieuw wereldrecord: dunne-film silicium tandemzonnecellen met een initiele efficientie van 14,8%. Tan werkte ook samen met prof. Rene Janssen van de Technische Universiteit Eindhoven om ultradunne hybride tandemzonnecellen van amorf silicium en polymeer te maken. Met deze nieuwe zonnecellen werd een record-efficientie bereikt van 13,2%, waarmee ze betere prestaties leveren dan de beste zonnecellen die volledig op polymeer zijn gebaseerd.

Hairen Tan

Vandaag promoveerde Tan cum laude op zijn proefschrift "Materials and Light Management for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells" (Materialen en lichtmanagement voor hoogrendabele dunne-film silicium zonnecellen). Het betreffende onderzoek voerde hij uit bij de sectie Photovoltaic Materials and Devices van de Faulteit Elektrotechniek aan de TU Delft onder begeleiding van prof. Miro Zeman en dr. Arno Smets. In 2014 ontving Tan de Young Researcher Award op de zesde World Conference on Photovoltaic Energy Conversion in Kyoto (Japan) voor zijn bijdrage aan de ontwikkeling van hoogrendabele dunne-film silicium zonnecellen. En in 2013 kreeg hij de Chinese Government Award for Outstanding Self-financed Students Abroad. Voor zijn promotieonderzoek bracht hij drie maanden door op het fotovoltaische laboratorium van de EPFL in Zwitserland. Zijn project werd gefinancierd met de Vidi-beurs die de STW aan Arno Smets had toegekend.