Als je zonnepanelen wil aanschaffen, zijn er veel dingen waar je op moet letten. Zie Advies PV-installatie – Energiekennisbank en Lijst aandachtspunten PV-installatie – Energiekennisbank. Je krijgt tegenwoordig in offertes en aanbiedingen steeds meer te maken met technische begrippen over het type zonnepanelen. Je kunt aan de installateur de vraag stellen: hoeveel brengen de panelen op en hoelang blijven ze dat doen? Dan krijg je (op zich terecht) te horen dat dit afhankelijk is van de weersomstandigheden en de ligging van de panelen. Op deze pagina gaan we in op een aantal (technische) ontwikkelingen rondom zonnepanelen. Via de links onderaan kun je verschillende artikelen lezen van Solarmagazine, je krijgt daarmee een beeld hoe het werkt rondom de productie van zonnepanelen.
Van licht naar elektriciteit
Voor het maken van zonnepanelen doet men veel onderzoek naar kostenbesparing en verbetering van de efficiëntie. Naast onderzoek naar het materiaal van de zonnecellen zelf, gaat het ook om het verbeteren van de verschillende lagen van een zonnepaneel. Het gaat er om dat zoveel mogelijk lichtdeeltjes op de zonnecellen kunnen vallen. En dat is nog niet zo gemakkelijk, want deze lichtdeeltjes (fotonen) hebben verschillende golflengtes met bijbehorende eigenschappen van doordringbaarheid in de verschillende materialen. De basis is dat fotonen elektronen in beweging kunnen brengen, zodat ze van de p- naar de n-laag in de zonnecel gaan: daardoor ontstaat er een spanningsverschil en wordt er stroom opgewekt. En daar gaat het uiteindelijk om.
De PV-industrie is een zeer concurrerende markt, waarbij fabrikanten alles uit de kast halen om prijstechnisch en qua efficiëntie een zo goed mogelijk zonnepaneel in de markt te zetten.
Hoe zit een zonnepaneel in elkaar?
Het frame houdt alles bij elkaar (alle andere lagen vallen binnen het frame) en maakt het mogelijk om een zonnepaneel te bevestigen. zowel op een plat als schuin dak.
De zonnecellen liggen ingebed tussen thermoplastische lagen (EVA) die de cellen moeten beschermen tegen vocht, zuurstof (oxidatie) en te hoge temperatuur. Ook vormen deze lagen een beschermende versteviging.
De glasplaat is erg belangrijk. Deze frontplaat (die dus ook van kunststof kan zijn) moet voldoen aan veel eigenschappen. Voldoende hard en veilig tegen weersinvloeden en bijvoorbeeld grote hagelstenen. Voldoende lichtdoorlatend (het mag geen ijzerdeeltjes bevatten) en het mag geen lichtdeeltjes reflecteren. dus er moet een anti-reflectie laag op zitten (dit moet ook op de andere inbeddingslagen). Ook moet de plaat voldoende vuil en vochtafstotend zijn.
Warmtegeleiding is ook belangrijk, het zonnepaneel moet de warmte (door instraling van de zon) kwijtraken, want dit beïnvloedt de opbrengst. Glas geleidt warmte relatief goed, dat is een van de redenen om te kiezen voor glas-glas panelen. Maar ook aan de onderkant van het paneel moet het kloppen. Fotonen die door de zonnecel heen gaan, veroorzaken ook aan de onderkant van een paneel enige warmte.
PERC-technology
In het afgelopen decennium is er veel technische vooruitgang geboekt bij de efficiency van zonnepanelen. Een van de termen die in de laatste 5 jaar opdook was PERC: dit staat voor Passivated Emitter Rear Cell, een passief gemaakte achterkant van de zonnecel. De techniek zelf dateert al van 1983 (in 1983 door de University of New South Wales in Australië uitgevonden).
Verschil met een ‘gewone’ zonnecel
Bij een normale zonnecel is de hele achterkant geleidend, en bevat een laag gemaakt van een folie met aluminium. Als een foton (lichtdeeltje) doorschiet eindigt hij op de geleidende achterkant en wordt de energie niet omgezet in elektriciteit maar wordt omgezet in warmte. Bij een PERC-zonnepaneel worden er op de achterkant van de zonnecel niet geleidende lijntjes aangebracht. Daardoor kunnen de elektronen die los worden gemaakt door de fotonen maar op een bepaald deel van de cel naar de achterkant stromen. Op de niet geleidende lijntjes worden de doorgeschoten fotonen teruggekaatst de zonnecel in. Zo wordt de kans (aanzienlijk) vergroot dat de foton een elektron vrij maakt en zo voor elektriciteit zorgt.
Twee extra lagen in een PERC-zonnepaneel
Ten opzichte van een normaal zonnepaneel worden er bij een PERC-zonnepaneel twee extra lagen toegevoegd, de PE-laag vóór de zonnecellen en de RC-laag achter de zonnecellen.
PE staat voor Passivated Emitter laag, RC staat voor Passivated Rear Contact. PERC is een samenvoeging van de benaming van deze twee lagen.
De golflengte van het licht bepaalt hoe diep in de zonnecel een foton wordt omgezet in een elektron. Langere golflengtes licht (rood licht), worden hierbij pas dieper in de cel omgezet. Rood licht doet zich vooral voor aan het begin en einde van de dag en bij bewolkt weer.
Rood licht bereikt vaker de achterkant van de zonnecel dan licht met de andere golflengten. Zonder PERC-laag gaan de rood-licht fotonen verloren (als warmte), mét PERC-laag worden deze fotonen teruggekaatst en alsnog omgezet in een elektron. Aldus wordt een breder gedeelte van het lichtspectrum benut voor het genereren van zonne-energie en is de kans dus groter dat licht ook daadwerkelijk voor elektriciteit zorgt. In Nederland hebben we hier baat bij, omdat we relatief vaak te maken hebben met bewolkt weer.
Voordelen PERC
In de vorige paragraaf zagen we dat PERC-zonnepanelen meer opleveren bij bewolkt weer. Wolken werken als een filter waarbij de kleuren met een kortere golflengte eruit gefilterd worden. PERC-zonnecellen halen het meeste rendement uit het onderste deel van de zonnecel, dat is waar kleuren worden opgevangen die wél door de wolken worden doorgelaten. PERC-zonnecellen hebben ook minder rendementsverlies, doordat fotonen worden teruggekaatst en zo geen (extra) warmte veroorzaken. We hebben gezien dat zonnepanelen minder opbrengen naar mate ze warmer worden.
Nadelen PERC
PERC-zonnepanelen absorberen meer zonlicht via de reflecterende laag, daardoor is er meer degradatie over de jaren heen. Vanwege de hogere spanning in PERC-panelen is er ook meer ‘spanning geïnduceerde degradatie’. Deze zogenaamde lePID ( Light and elevated Potential Induced Degradation) degradatie komt vooral voor bij polykristallijn-PERC panelen. Maar ook mono-kristallijn PERC-panelen hebben last van extra degradatie: daarbij gaat het om licht/temperatuur geïnduceerde degradatie: leTID (Light and elevated Temperature Induced Degradation).
Er is nog een belangrijk nadeel. Volgens tests uitgevoerd door PVEL presteren PERC-panelen minder goed in de vocht en warmtetest. Deze test is belangrijk om de kwaliteit tussen de verschillende lagen van een zonnepaneel aan te duiden. Vandaar dan ook de aanbeveling om PERC-zonnepanelen alleen als Glas-glas paneel aan te schaffen. Glas-glas panelen scoren beter op deze test, omdat de glasplaten het paneel beter beschermen tegen vocht en ook omdat glas de warmte beter afvoert.
TOPCon
In het jaar 2023 kwam er een nieuwe dominante technologie op de markt. De productie-uitbreidingen van PERC-zonnepanelen hebben massaal plaatsgemaakt voor investeringen in n-type zonnecellen, en dan met name de TOPCon en heterojunction (hjt) technologie. TOPCon staat voor Tunnel Oxide Passivated Contact. Een TOPCon-zonnecel heeft speciale tussenlagen aan de achterzijde, bestaand uit een zeer dunne oxide- en polysilicium-laag. Door deze structuur worden de verliezen aan het oppervlak tegengegaan, wat leidt tot een hoger rendement van de zonnecellen en daarmee ook van de zonnepanelen. Bij een TOPCon zonnecel worden in het productieproces zeer dunne oxide- en polysilicium (SIO2) laagjes aan de achterzijde aangebracht: een extra ultradunne silicium laag (SiO 2) en een gedoteerde poly-Si-laag. Door de extra silicium laag blijven de panelen iets koeler, waardoor ze ook beter presenteren in warme omstandigheden. Je ziet daarom ook dat de degradatiecijfers ten opzichte van de standaard n-type en p-type panelen gunstiger worden.
De TOPCon zonnepanelen zijn n-type zonnepanelen. Dit type zonnecel wordt ‘gedoteerd‘ met een ander materiaal (bijv. stikstof of fosfor, dat één elektron in de buitenste schil meer heeft dan silicium) om zo een negatief geladen cel te creëren. Zo’n ‘vrije’ elektron bevordert het stromen van elektronen (en dus het genereren van stroom) tussen de lagen. Meer info op: P-type of N-type zonnepanelen – (energiekennisbank.nl).
Voordelen van TOPCon: meer vermogen per vierkante meter, minder degradatie en verbeterde efficiëntie. Kortom: meer opbrengst. Nadeel is nog wel, dat dit type zonnepanelen wat duurder zijn. Omdat fabrikanten volop inzetten op het produceren van deze panelen is de verwachting dat dit de dominante technologie gaat worden.
Bifacial (dubbelzijdige) panelen
Bifacial zonnepanelen kunnen aan beide zijden van het zonnepaneel licht omzetten in zonne-energie. Ze worden met name in de ruimtevaart al sinds de jaren ’70 toegepast.
Veel fabrikanten van TOPCon zonnepanelen beginnen steeds meer tweezijdige zonnepanelen in hun assortiment op te nemen. Door de TOPCon technologie en het opdampen van allerlei extra lagen oxide- en siliciumlagen kan men steeds meer gebruik gaan maken voor ‘doorschietende’ fotonen in de zonnecel ‘naar de andere kant’. Fabrikanten zijn in toenemende mate in staat om dit soort ontwikkelingen op te nemen in hun (geautomatiseerde) productieprocessen.
Heterojunction zonnecellen
Hetereojunction-zonnecellen combineren twee verschillende technologieën in één zonnecel: een kristallijn-silicium zonnecel wordt daarbij ingeklemd tussen twee lagen amorf “dunne-film” -silicium. Samen maken deze technologieën het mogelijk om meer energie te oogsten in vergelijking met het gebruik van beide technologie alleen. Het is oorspronkelijk een techniek die is ontwikkeld door Panasonic (met hun HIT-panelen: ‘Heterojuction with Intrinsic Thin layer’), maar de patenten op deze technologie zijn in 2010 verlopen.
Voordelen van Heterojunction-zonnecellen (ten opzichte van conventionele kristallijne siliciumcellen) zijn: hogere efficiëntie, potentiëel lagere kosten bij productie (in vergelijking met bijv. PERC), lagere temperatuurcoëfficiënt (verbeterde prestaties bij hoge temperaturen).
In vergelijking met PERC- en TopCon-technologieën kunnen heterojunctiecellen met een hoge bifacialiteit meer dan 30% extra vermogen genereren. De claim is dat heterojunctie zonnecellen bijzonder effectief zijn voor installaties waar beide zijden van het paneel worden blootgesteld aan direct of gereflecteerd zonlicht.
Links
Zonnepanelen van de toekomst uitgerust met TOPCon- en heterojunctiezonnecellen
Solar Magazine – Nieuwe dominantie bij zonnepanelen op komst: ‘TOPCon leidt technologietransitie’
