Zonnecel met hoog rendement voor gebruik ver van de zon

Onlangs maakte het Europese ruimte-agentschap Esa bekend een zonnecel met zeer hoog rendement te hebben ontwikkeld. De cel zou in de ruimte 25 procent van het opvallende zonlicht omzetten in elektriciteit. Zo'n bericht trekt aandacht, want het rendement van zonnecellen die op aarde worden gebruikt ligt hier op 15 procent.

Tijdens de zonnecel-conferentie die in april in Amsterdam werd gehouden meldden Japanse onderzoekers met zeer dunne cellen een nieuw record van 16,5 procent te hebben gevestigd. Zouden Europeanen een miraculeuze sprong naar 25 procent hebben gemaakt?

De nieuwe zonnecel is ontwikkeld voor de energievoorziening van ruimtesondes die op grote afstand van de zon onderzoek moeten verrichten. Op zulke afstanden is het zonlicht zo zwak, dat de nu beschikbare zonnecellen niet voldoende elektriciteit leveren. Enkele jaren geleden werd daarom door de Esa een programma gestart voor het ontwikkelen van (betaalbare) zonnecellen die dit wel zouden kunnen. Dit onderzoek vindt plaats onder leiding van Dasa (Deutsche Aerospace).

Een van de onderzoekslaboratoria is de afdeling 'Solar Generators' van het ruimtevaartcentrum Estec in Noordwijk. Klaus Bogus, hoofd van deze afdeling, begint direct met er op te wijzen dat de nu gemelde 25 procent niet zomaar mag worden vergeleken met de rendementen van zonnecellen op aarde. 'Het zonlicht dat we hier opvangen is door de dampkring gekomen. Het is verzwakt en gefilterd en bevat maar een deel van het stralingsspectrum van de zon. In de ruimte wordt het zonlicht niet verwakt en vangen zonnecellen alle straling van de zon op'.

Bij metingen gaat men dus uit van twee verschillende standaarden. Daar komt nog bij dat zonnecellen op aarde bij een temperatuur van gewoonlijk boven het vriespunt werken - soms vèr boven het vriespunt. Zonnecellen in de ruimte werken bij veel lagere temperaturen. In de buurt van Jupiter bijvoorbeeld zouden zij een temperatuur van ongeveer -100° C hebben. Bij die temperatuur zijn allerlei fysische eigenschappen van de gewone zonnecellen veranderd.

'Dit alles maakt het heel moeilijk om het rendement van zonnecellen op aarde en in de ruimte met elkaar te vergelijken', zegt Bogus. Hij voegt er aan toe dat er weliswaar op internationaal niveau wordt getracht standaarden te ontwikkelen, zodat onderlinge vergelijkingen wel mogelijk worden, maar dat hierin nog weinig schot zit. Bogus zelf heeft al voorgesteld om de grote zonnesimulator van Estec, waarin satellieten worden getest, als standaardbron beschikbaar te stellen.

Voor de stroomvoorziening van ruimtesondes op grote afstand van de zon was men tot nu toe afhankelijk van zogeheten RTG's (van Radio-isotopic Thermoelectric Generator). Deze aanvankelijk voor militaire doeleinden ontwikkelde generatoren werken op het verval van radioactief plutonium. De hierbij vrijkomende warmte wordt via thermo-elektrische elementen omgezet in elektriciteit. RTG's werken zeer lang, getuige het feit dat de in 1972 gelanceerde Pioneer-10 nog steeds stroom heeft.

Plutonium

In Europa was deze technologie aanvankelijk niet beschikbaar en later zag men er weinig in om hem alsnog te gaan ontwikkelen. Bogus: 'Dit zou betekenen dat men kernreactoren moest gaan bouwen voor speciaal het produceren van plutonium. Mede vanwege de stringente veiligheidsaspecten zou dit een miljarden-project worden. En daar komt dan nog het probleem van de maatschappelijke acceptatie bij'. Daarom koos men voor het verder ontwikkelen van zonnecellen.

De nu door Dasa-Telefunken Systeemtechniek ontwikkelde zonnecel bestaat uit twee halfgeleidende lagen van silicium. De bovenkant heeft een ruw oppervlak en een antireflectiecoating, voor een maximaal lichtopvangend vermogen. Onder de basis bevindt zich een reflecterende laag, die niet-geabsorbeerd zonlicht terugkaatst. Het fijne metaalrooster waarmee de stroom wordt afgenomen dekt slechts 3 procent van het licht af (tegen 5 procent bij gewone zonnecellen).

Bij een temperatuur van -100° C en een zonneconstante van 0,11 (150 watt per vierkante meter) heeft deze cel een rendement van 25 procent. Hoewel dit percentage dus niet direct kan worden vergeleken met dat van zonnecellen op aarde, mag er volgens Esa wel van een 'nieuwe mijlpaal' worden gesproken. Esa verwacht dat met deze zonnecel ruimtesondes tot ver in het zonnestelsel van elektriciteit kunnen worden voorzien. Dit is belangrijk voor de projecten die Esa op stapel heeft staan. En misschien blijkt de technologie ook van belang voor ruimtevaartuigen dichter bij huis, of voor toepassingen op aarde.

Een van de deep space-projecten van Esa is Rosetta, een ruimtesonde die in het begin van de volgende eeuw een jaar lang met een komeet in de buurt van Jupiter zal 'meevliegen'. Dit project zou aanvankelijk worden uitgevoerd met de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie Nasa, maar die liet twee jaar geleden weten zich vanwege bezuinigingen te moeten terugtrekken. Zo viel ook de energiebron de Nasa zou leveren, een RTG, weg. Rosetta zal nu vier zonnepanelen krijgen, met een totaal oppervlak van 48 vierkante meter. Op de afstand van Jupiter zullen die een totaal elektrisch vermogen leveren van 472 watt: ruimschoots voldoende om de sonde en zijn meetinstrumenten in bedrijf te houden.