In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, is de verdeling van zonne-energie over het aardoppervlak heel gelijkmatig. Het verschil in jaarlijks beschikbare energie tussen de Sahara en het noorden van Scandinavië is niet meer dan een factor drie. Nederland krijgt ongeveer 1000 kWh/m2 per jaar aan zonlicht, iets minder dan de helft van wat maximaal haalbaar is. Het probleem is dan ook niet zozeer het jaarlijkse aanbod, maar de grote verschillen tussen zomer en winter (factor 7-10). Vanwege dat verschil is het belangrijk dat de energie kan worden opgeslagen of dat een tweede energiebron beschikbaar is die de verschillen kan opvangen.
Een paar getallen illustreren de wereldwijde potentie van zonne-energie. Per aardbewoner is gemiddeld continu ongeveer 20.000.000 watt (20 megawatt) aan zonnestraling beschikbaar. Het huidige gemiddelde energiegebruik is 2.500 watt (2,5 kilowatt) per persoon, alle vormen van gebruik bij elkaar geteld. Per Nederlander is het gebruik 6 kilowatt. Er is wereldwijd dus 8000 maal meer zonne-energie beschikbaar dan we nodig hebben. Dit getal zegt echter nog niet zoveel, want we kunnen onze landen niet vol leggen met zonne-energie installaties en bovendien is het rendement van de omzetting in bruikbare energie veel lager dan 100%.
Niettemin is al door velen aannemelijk gemaakt dat zonne-energie een hoofdrol kan spelen in onze mondiale energievoorziening op de lange termijn. De kunst is om dat voor elkaar te krijgen tegen aanvaardbare kosten en met een hoge betrouwbaarheid. Natuurlijk hoeven landen niet allemaal in hun eigen gebruik te voorzien. Zoals nu wordt gehandeld in fossiele brandstoffen, kan ook een levendige internationale handel ontstaan in zonne-energie.
Waarom is het rendement van zonnecellen geen 100%?
Zonnecellen zetten zonlicht om in elektriciteit. Het deel van de energie in het zonlicht dat kan worden omgezet in elektriciteit noemen we het rendement (in % uitgedrukt).
Zonlicht bestaat uit verschillende kleuren, dat kun je zien wanneer er een regenboog is. Een zonnecel wordt meestal gemaakt van één bepaald (halfgeleider)materiaal, bijvoorbeeld silicium. Zo’n materiaal is niet voor alle kleuren licht even gevoelig en een deel van het zonlicht gaat er zelfs dwars door heen. Anders gezegd: een zonnecel werkt optimaal voor één kleur licht. Licht wat “te rood” is gaat er doorheen (wordt niet geabsorbeerd) en wordt dus helemaal niet benut, licht wat “te blauw” is wordt maar voor een deel benut. Dit is beter te begrijpen wanneer we ons realiseren dat licht bestaat uit energiepakketjes (fotonen).
De energie van het pakketje bepaalt de kleur van het licht. Om een elektron in het materiaal los te maken is het nodig dat het foton een minimale energie heeft. Is de energie te laag, dan wordt geen elektron losgemaakt. Is de energie hoger dan het benodigde minimum, dan wordt het overschot aan energie afgegeven in de vorm van warmte. Op die manier gaat ongeveer 55% van de energie in het licht verloren, zodat nog 45% resteert. Wanneer een elektron eenmaal is losgemaakt, heeft het de neiging weer terug te vallen naar zijn oude toestand (recombineren). Dit is zelfs in het beste materiaal niet helemaal te voorkomen en zorgt ervoor dat het rendement van een ideale, enkelvoudige cel niet hoger kan zijn dan ongeveer 30% (voor materiaal met een optimale kleurgevoeligheid).
De allerbeste (onbetaalbare) kleine zonnecellen hebben een rendement van 25% in het laboratorium. In commerciële productie wordt 13-16% gehaald. Dit grote verschil is een gevolg van het gebruik van goedkopere materialen (lagere kwaliteit en niet-optimale kleurgevoeligheid), van goedkopere fabricageprocessen en van de grotere oppervlakte van de cellen en de modules.
Er zijn twee methoden om het rendement van zonnecellen te verhogen boven het genoemde maximum van 30% voor een enkelvoudige cel. In de eerste plaats kan de kleurgevoeligheid worden verbeterd door twee of drie verschillende materialen te stapelen. We spreken in zo’n geval van een tandem. De kleurverliezen nemen dan af van 55% naar ongeveer 40-45%, zodat 55-60% van de energie resteert. De gevolgen van recombinatie kunnen worden verminderd door domweg meer elektronen los te maken (“de pomp harder zetten terwijl het lek gelijk blijft”). Dit kan door de cel te belichten met geconcentreerd zonlicht (bijvoorbeeld 100x) onder een soort lens of met spiegels. In combinatie met het gebruik van een drievoudige tandem geeft dit een theoretisch maximum rendement van ongeveer 50%. Ter vergelijking: de allerbeste praktische cel van dit soort heeft een rendement van 33%.
(bron: ECN)
