De technologie van zonnecellen en -modules heeft een snelle ontwikkeling doorgemaakt, vooral na de Russisch-Oekraïense oorlog in 2022. De Europese fotovoltaïsche (PV) markt kende een dramatische stijging, die medio 2023 leidde tot een wereldwijd overaanbod van zonnepanelen. Door deze marktverschuiving daalden de prijzen onder de productiekosten, waardoor de concurrentie tussen zonnecelfabrikanten hevig werd. Als gevolg hiervan is de ontwikkeling van zonne-energietechnologie in een stroomversnelling geraakt, met producenten die wedijveren om voorop te blijven in een snel evoluerende markt.
In dit artikel onderzoeken we hoe technologische innovaties in zonneceltechnologie de toekomst van hernieuwbare energie een nieuwe vorm geven.
Recente vooruitgang in efficiëntie zonnepanelen
Invloed van zonnecelgrootte op efficiëntie en kostenreductie
Het rendement van commerciële zonnepanelen ligt meestal tussen 18% en 22% en sommige kunnen zelfs 24% bereiken. Zonnetechnologie heeft in de loop der jaren veel vooruitgang geboekt en onderzoekers blijven de grenzen verleggen.
Hoe groter de zonnecel, hoe hoger het vermogen en hoe lager de kosten van fotovoltaïsche (PV) systemen. De siliciumindustrie heeft geleidelijk grotere waferformaten geïntroduceerd, te beginnen met M2 (2016), gevolgd door G1 (2018), M6 (2019), M10 (2020) en G12 (2021). Naast deze vergroting is ook de efficiëntie verbeterd, wat een extra voordeel biedt bij het verlagen van de kosten van PV. In 2015 werden de meeste zonnecellen gemaakt van p-type polysiliciumcellen van 156 x 156 mm met een omzettingsefficiëntie van ongeveer 17%. Tegen 2018 was de industrie echter volledig overgeschakeld op p-type monokristallijne M2 en G1 cellen, die rendementen van meer dan 20% haalden.
Inleiding tot PERC zonneceltechnologie
In 2019 werd PERC (Passivated Emitter and Rear Contact) zonneceltechnologie geïntroduceerd op 166 x 166mm M6 wafers. In een PERC-zonnecel is het achteroppervlak gepassiveerd met een diëlektrische laag, wat recombinatieverliezen vermindert en ongebruikt licht terug de cel in reflecteert. Dit resulteert in een toename van de stroomopwekking van ongeveer 10% (relatief) vergeleken met G1 zonnecellen die voorheen werden gemaakt. Het belangrijkste voordeel van PERC-technologie is de mogelijkheid om de efficiëntie te verhogen zonder de complexiteit van de productie of de kosten significant te verhogen.
Uitdagingen en oplossingen in N-type zonnecellen
In 2019 was het al duidelijk dat n-type wafers essentieel waren om efficiëntiesprongen te maken, maar daarvoor waren er te veel lasten, bijvoorbeeld onvoldoende beschikbaarheid van n-type wafers en de implementatie van complexe halfgeleiderprocessen. Dit moest eerst worden opgelost. Daarom richtte de zonnecelproductie zich op het vergroten van zonnecellen. Het idee was tweeledig. Ten eerste helpt deze methode om de (Wp en dus financiële) verwerkingscapaciteit van zonnecelproductielijnen te verbeteren zonder dat daarvoor enorme investeringen in apparatuur nodig zijn. Ten tweede helpt deze methode om de proceskwaliteit van zonnecelproductie over grotere oppervlakken te verbeteren. Dit is een van de belangrijkste stappen in het verder verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen. In 2021 kondigde zonnecel- en moduleproducent Trina Solar de commerciële massaproductie aan van 210mm x 210mm G12 PERC zonnecellen met een efficiëntie van 22,5-23,0%.
De opkomst van TOPCon-zonnecellen en rendementsverbetering
De massaproductie van n-type gebaseerde TOPCon (Tunneling Oxide Passivated Contact) zonnecellen begon in 2022. TOPCon-zonnecellen maken gebruik van een dunne oxidelaag en een polykristallijne siliciumlaag om een zeer gepassiveerd contact te creëren. Dit ontwerp zorgt voor een betere passivering en toch een uitstekende extractie van ladingsdragers, wat resulteert in hogere energieconversiesnelheden. TOPCon-zonnecellen zijn sinds 2024 op grote schaal verkrijgbaar in verschillende afmetingen in de M10RT- en G12-reeks (182×182, 182×184, 182×188, 182×199 en 182×210 mm). Commercieel verkrijgbare TOPCon-zonnecellen hebben een rendement van 24,5-25,5%.
De volgende stap: IBC zonnecellen en hun potentieel
Tot nu toe hebben alle typen zonnecellen gemeen dat ze contacten aan de voor- en achterzijde hebben. Door deze overeenkomst kunnen cellen in modules worden geïmplementeerd zonder dat modulefabrikanten hoge investeringen in apparatuur hoeven te doen. De metallisatie aan de voorkant beslaat echter 4-5% van het beschikbare gebied voor stroomopvang. IBC (Interdigitated Back-Contact) zonnecellen verplaatsen alle contacten naar de achterkant. Dit is wat er nu gebeurt in 2025. De eerste IBC zonnecellen en -modules komen op de zonne-energiemarkt. De celefficiëntie bedraagt al meer dan 26%. Als bonus krijgen modules een volledig zwart uiterlijk.
Wat kunnen we nog meer verwachten van IBC zonneceltechnologie? Met een zonnecelrendement van 27% komen we heel dicht bij de fundamentele limiet die ergens in de buurt van 31% rendement ligt met silicium als substraatmateriaal. Het is nog niet duidelijk of de PV-markt zal kiezen voor heterojunctie zonnecellen of tandemcelstructuren. Er is nog veel onderzoek nodig om tot conclusies te komen. Een van de waarschijnlijke kandidaten is het gebruik van een dunne filmlaag van perovskiet bovenop silicium zonnecellen. Perovskieten absorberen licht van een andere golflengte dan siliciumcellen. Wanneer silicium en perovskieten samenwerken in tandemzonnecellen, kunnen ze een groter deel van het zonnespectrum benutten en meer elektriciteit per cel produceren.
Toekomst van zonnecelefficiëntie: Perovskiet tandemcellen
Perovskiet tandemcellen hebben in het lab al een efficiëntie van meer dan 33% bereikt. Dat is een opwindende belofte. Maar de elektrochemische samenstelling van perovskieten betekent dat ze gevoelig zijn voor vocht en warmte. Lopend onderzoek richt zich op vochtbarrières en stabielere perovskietsamenstellingen om de levensduur van silicium zonnepanelen van meerdere decennia te evenaren. Het zal nog enkele jaren duren voordat we commerciële perovskiet-silicium tandemmodules kunnen verwachten.
Recente ontwikkelingen
in Efficiëntie zonnepanelen
Belangrijkste onderdelen van zonnepanelen
Een standaard zonnemodule bestaat uit onderling verbonden zonnecellen die zijn ingekapseld in een laminaat. De twee belangrijkste functies van inkapseling zijn het voorkomen van mechanische schade aan de zonnecellen en voorkomen dat binnendringend vocht de elektrische contacten aantast. Zonnecellen zijn erg dun (slechts 150 µm) en kwetsbaar voor mechanische schade tenzij ze goed worden beschermd. Het binnendringen van vocht kan ook de contactzones van zonnecellen beschadigen. Daarom is een goede inkapseling essentieel voor een lange levensduur.
De rol van inkapseling in de bescherming van zonnecellen
Inkapseling beschermt de zonnecellen tegen mechanische schade en vocht, die de efficiëntie van het zonnepaneel kunnen verminderen. Bovendien bestaat de voorste laag van een zonnemodule meestal uit gehard glas, dat bestand is tegen zware omstandigheden zoals hagelinslag. Glas is een ideaal materiaal voor zonne-energietoepassingen vanwege de hoge transmissie voor zonlicht, de UV-stabiliteit en het vermogen om als waterbarrière te fungeren. Oppervlaktebehandelingen zoals anti-reflecterende (AR) coating en textuur worden op het glas aangebracht om de hoeveelheid licht die de zonnecellen bereikt te maximaliseren, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd.
De evolutie van de grootte en het ontwerp van zonnepanelen
Hoewel het basisontwerp van zonnepanelen al meer dan 50 jaar grotendeels ongewijzigd is gebleven, is hun grootte in de loop der tijd aanzienlijk toegenomen. Grotere zonnepanelen leveren meer vermogen en verlagen de kosten van fotovoltaïsche (PV) systemen. De praktische gewichtslimiet voor zonnepanelen ligt bij een oppervlakte van ongeveer 2 m² en een gewicht van ongeveer 25 kg. Boven dit gewicht worden modules moeilijker te hanteren. Om dit tegen te gaan, hebben fabrikanten lichtgewicht vochtwerende backsheetfolies van gefluoreerde polymeren ontwikkeld, die uitstekend bestand zijn tegen weersinvloeden en toch de modules hanteerbaar houden.
BIPV-modules (Building-Integrated Photovoltaics) en hun voordelen
In 2025 hebben BIPV-modules (Building-Integrated Photovoltaics) aan populariteit gewonnen, vooral in de vorm van kleine modules die naadloos integreren met gewone dakpannen. De BIPV-modules van Solinso zijn bijvoorbeeld uitgerust met IBC-zonnecellen en kunnen goed worden geïntegreerd in traditionele dakbedekkingssystemen, wat zowel esthetische voordelen als voordelen op het vlak van energieproductie biedt. Deze modules met kleinere afmetingen zorgen ervoor dat gewicht nooit een beperkende factor is en maken ze gemakkelijker te hanteren en te installeren op daken.
Technologieën voor de behandeling van glasoppervlakken voor zonnepanelen
Oppervlaktebehandelingen van glas spelen een cruciale rol bij het verbeteren van de prestaties en duurzaamheid van zonnepanelen. Nadat het glas op de gewenste grootte is gesneden, kan het worden behandeld met zeefdrukinkten die tijdens het uithardingsproces in het glas worden gebakken. Met deze technologie kunnen gekleurde zonnepanelen worden gemaakt. Bovendien worden ultra-matte glasoppervlakken steeds populairder om reflecties van zonlicht te verminderen, wat de energieopbrengst in verschillende omgevingsomstandigheden verbetert.
Anti-verblindend glas en de invloed ervan op de opbrengst van zonne-energie
Ontwikkelingen
in Solar Systems
Om terug te komen op het begin van dit artikel: zonne-energiesystemen moeten worden ontworpen om de kostenbesparingen voor onze klanten te maximaliseren. In de meeste gevallen hebben ontwerpers van zonne-energiesystemen de neiging om de energieopbrengst te maximaliseren, wat niet dezelfde aanpak is.
Specifieke opbrengst (kWh/kWp) is een van de meest gebruikte prestatiecijfers voor zonnesystemen van alle groottes. Het wordt gebruikt om verschillende locaties te vergelijken, verschillende ontwerpen te analyseren of om de gezondheid van een zonnesysteem te beoordelen. Klanten vragen vaak “Wat is een goede waarde voor kWh/kWp?”. Het antwoord is niet eenvoudig. En misschien is het zelfs niet de juiste vraag, omdat de echte waarde ligt in de financiële besparingen die klanten zien op hun energierekening. Met een variabele tariefstructuur kan het zelfs beter zijn om een oost-west georiënteerd zonnesysteem te ontwerpen, omdat de energietarieven midden op de dag erg laag kunnen worden.
Factoren die de specifieke opbrengst beïnvloeden
Specifieke opbrengst verwijst naar hoeveel energie (kWh) er wordt geproduceerd voor elke kWp geïnstalleerde zonnepanelen in de loop van een jaar. In Noordwest-Europa, met name Nederland en Duitsland, kunnen typische waarden variëren van 800 tot 1.100 kWh/kWp. De werkelijke waarde wordt bepaald door veel factoren, waaronder:
1
Locatie
De projectlocatie bepaalt de hoeveelheid zonlicht, of irradiantie, die over het algemeen wordt ontvangen. De instraling is meestal de belangrijkste factor voor de specifieke opbrengst, maar de instraling kan nog steeds sterk variëren, tot wel 10% per jaar. München in het zuiden van Duitsland kan bijvoorbeeld het equivalent van 1250 zonuren per jaar ontvangen, terwijl Hamburg in het noorden van Duitsland slechts 1050 kWh/m2 aan jaarlijkse horizontale instraling ontvangt. De instraling hangt niet alleen af van de locatie van het project, maar ook van de omstandigheden in de omgeving. Bijvoorbeeld schaduw van bomen, dakkapellen of schoorstenen. Ook plaatselijke weersomstandigheden kunnen de energieopbrengst beïnvloeden. Vervuiling in droge perioden en/of sneeuwbedekking in de winterperiode zal een deel van de binnenkomende straling blokkeren.
2
Module-oriëntatie
De projectlocatie bepaalt de hoeveelheid zonlicht, of irradiantie, die over het algemeen wordt ontvangen. De instraling is meestal de belangrijkste factor voor de specifieke opbrengst, maar de instraling kan nog steeds sterk variëren, tot wel 10% per jaar. München in het zuiden van Duitsland kan bijvoorbeeld het equivalent van 1250 zonuren per jaar ontvangen, terwijl Hamburg in het noorden van Duitsland slechts 1050 kWh/m2 aan jaarlijkse horizontale instraling ontvangt. De instraling hangt niet alleen af van de locatie van het project, maar ook van de omstandigheden in de omgeving. Bijvoorbeeld schaduw van bomen, dakkapellen of schoorstenen. Ook plaatselijke weersomstandigheden kunnen de energieopbrengst beïnvloeden. Vervuiling in droge perioden en/of sneeuwbedekking in de winterperiode zal een deel van de binnenkomende straling blokkeren.
3
Module-ontwerp
De 2 belangrijkste factoren die bijdragen aan deze winst zijn LID (Light Induced Degradation) en temperatuurprestaties. p-type PERC-zonnecellen hebben de neiging om zeer snel na installatie 3% van hun piekvermogen te verliezen door het zogenaamde LID-effect. Alle modules verliezen efficiëntie wanneer ze opwarmen, maar ze verliezen efficiëntie in verschillende snelheden. Vooral de temperatuurprestaties kunnen een groot verschil maken; TOPCon-cellen zijn aanzienlijk minder gevoelig voor temperatuur, waardoor de opbrengst van een zonnesysteem met wel 1-2% kan toenemen in vergelijking met PERC-modules. Temperatuurprestaties zijn ook een van de belangrijkste factoren waarom zonnesystemen in kustgebieden beter presteren dan in het binnenland. Er is meer wind en de lage zeetemperatuur in vergelijking met temperaturen in het binnenland zorgt ervoor dat de modules koeler blijven dan hun tegenhangers in het binnenland.
4
Balans van systeemefficiëntie
De BOS-efficiëntie omvat de efficiëntie van de omvormer, clipping van de omvormer, MPP-trackingverliezen, DC- en AC-draadverliezen, mismatchverliezen enz. Als je deze factoren bij elkaar optelt, kom je gemakkelijk tot 10% jaarlijks kWh-verlies.
| Vermogensgarantie: | 97% van het initiële vermogen na 1 jaar |
| 90% van het oorspronkelijke vermogen na 10 jaar | |
| 80% van het oorspronkelijke vermogen na 25 jaar |
| Vermogensgarantie: | 99% van het oorspronkelijke vermogen na 1 jaar |
| 93% van het oorspronkelijke vermogen na 10 jaar | |
| 83% van het oorspronkelijke vermogen na 25 jaar |
Typische kWh/kWp-waarden
Nu we de factoren die de opbrengst bepalen hebben gedefinieerd, gaan we de opbrengstwaarden bekijken voor een paar echte voorbeelden om te zien hoe de locatie, het weerbestand en het ontwerp afzonderlijk de opbrengst beïnvloeden, te beginnen met de locatie.
Tot slot is het ontwerp meestal de grootste opbrengstfactor bij uw controle. Hoewel er oneindig veel ontwerpmogelijkheden zijn, beperken we ons tot vijf representatieve ontwerpen, zoals weergegeven in tabel 1.
Op elke locatie is er een verschil van 20% of meer tussen het ontwerp met de laagste opbrengst en het ontwerp met de hoogste opbrengst (dat wil zeggen, tussen het residentiële ontwerp met veel schaduw en het utiliteitsontwerp). Al deze ontwerpen hebben verschillende invloeden van schaduw, temperatuur en zelfs aanpassingen van de oriëntatie van de flat-of-array.
Verwachtingen
Veel zonne-energieontwikkelaars hebben een gevoel voor de kWh/kWp-opbrengst die ze verwachten te zien op basis van hun eigen geschiedenis. Maar niet iedereen weet hoe dit kan variëren op basis van de locatie, het type systeem of zelfs het gebruikte weerbestand. Zoals met alles in zonne-energie, zit de duivel in de details!
