Zonne-energie in de ruimte: een kruisbestuiving van technologie en kennis

De Belgische multinational Umicore kondigde recent aan dat het, dankzij een samenwerking met imec binnen het kader van EnergyVille, flinterdunne germanium folies kan maken voor zonnecellen voor in de ruimte. Het resultaat uit het door ESA gefinancierde project kwam er dankzij slim hergebruik van imecs kennis op het vlak van chipontwikkeling. In een ander project gebruikte imec inzichten uit een samenwerkingsproject met een Vlaamse textiel-KMO om draagstructuren te maken voor zonnecellen voor in de ruimte. Het zijn twee voorbeelden van het belang van domeinoverschrijdende kennis voor de snel veranderende markt van ruimtevaarttoepassingen.

“De ruimte is al een hele tijd niet meer het exclusieve domein van publiek gefinancierde ruimtevaartorganisaties zoals het Europese ESA of Amerikaanse NASA. De opkomst van commerciële partijen zoals Space X, OneWeb en Planet (toeleverancier van o.a. Google Earth) hebben de vraag naar ruimtetechnologie niet alleen laten toenemen maar ook fundamenteel veranderd"

De opkomst van commerciële partijen zoals SpaceX hebben de vraag naar ruimtetechnologie niet alleen laten toenemen, maar ook fundamenteel veranderd.

Experts van imec binnen EnergyVille Hariharsudan Sivaramakrishnan Radhakrishnan, Bart Vermang, Valérie Depauw en Tom Borgers doen onderzoek naar zonneceltechnologie (photovoltaics, PV), onder andere voor toepassing in de ruimte. Ze geven inzicht in hoe imecs brede kennisportfolio een antwoord biedt op de nieuwe vragen in hun vakgebied; en hoe zonneceltechnologie voor in de ruimte en op aarde naar elkaar toe groeien.

Zonnecellen voor in de ruimte moeten nu ook goedkoop zijn

“Bij technologieontwikkeling voor het opwekken van zonne-energie in de ruimte, waren gewicht en efficiëntie oorspronkelijk de belangrijkste parameters," zegt Hariharsudan Sivaramakrishnan Radhakrishnan, R&D-manager wafer-based PV bij imec en EnergyVille.

Vroeger waren gewicht en efficiëntie de belangrijkste parameters, maar vandaag is kostprijs met stip bij op dat lijstje gekomen.

“Ondertussen is kostprijs met stip bij op dat lijstje gekomen. Sommige commerciële partijen lanceren honderden nanosatellieten in een keer. Bovendien hebben zij een focus op business en toepassingen en niet zozeer op onderzoek. Deze, en andere factoren zorgen ervoor dat de budgetten scherper zijn. Ook aspecten als de keuze en hoeveelheden van materiaalgebruik zijn kritischer worden. Dit laatste niet alleen vanwege hun schaarste of kostprijs, maar ook omdat er nog steeds behoefte is aan een zo hoog mogelijke energiedichtheid en piekvermogen in een zo klein mogelijk volume met een zo laag mogelijk gewicht. Omgekeerd zie je voor PV-technologie op aarde dat hogere efficiëntie belangrijker wordt, nu de kostprijs voor zonnepanelen het voorbije decennium drastisch gedaald is. Een manier om aan die behoefte tegemoet te komen is via samengestelde zonnecellen, ook wel multi-junction of tandem zonnecellen genoemd. Eenvoudig gezegd zijn dat zonnecellen waarin verschillende PV-materialen boven elkaar worden aangebracht die elk een ander gebied van het lichtspectrum kunnen omzetten in elektriciteit. Bijvoorbeeld een basis silicium zonnecel met daarboven een op basis van perovskiet. Op die manier kan je op eenzelfde oppervlakte een hoger percentage zonlicht omzetten en dus een hogere efficiëntie bereiken. Deze techniek vindt van oudsher toepassing in PV voor de ruimtevaart en zien we nu in toenemende mate in ontwikkeling van nieuwe generaties zonneceltechnologie op aarde.”

Bart Vermang: “Ook het gebruik van dunnefilm zonnecellen in ruimtetoepassingen is een veelbelovend domein voor onderzoek en ontwikkeling waarin imec en UHasselt in het kader van EnergyVille actief zijn.  Deze dunnefilm zonnecellen op basis van perovskiet of  CIGS, en tandemcellen die beide technologieën combineren worden beschouwd als aantrekkelijke alternatieven voor de gevestigde zonneceltechnologieën voor ruimtetoepassingen op basis van silicium of germanium, en dat omwille van hun hoge efficiëntiepotentieel, potentieel lage ontwikkelingskosten, lage massadichtheid, hoge vermogensdichtheid en hogere bestendigheid tegen straling. Op dit ogenblik onderzoeken we de bestendigheid tegen protonen- en elektronenstraling van dunnefilm zonnecellen.”

De technologische behoeftes voor PV in de ruimte en op aarde zijn naar elkaar toe aan het groeien en halen voordeel uit elkaars kennis en inzichten.

Conclusie: De technologische behoeftes voor PV in de ruimte en op aarde zijn naar elkaar toe aan het groeien en halen voordeel uit elkaars kennis en inzichten. Maar ook kennis uit andere sectoren vindt de weg naar ruimte-PV.

Flinterdunne germanium folies dankzij kennis uit chiptechnologie

Een mooi voorbeeld van dergelijke kruisbestuiving tussen domeinen zijn de recente resultaten uit een door ESA gefinancierd onderzoeksproject in samenwerking met Umicore. Doel van het project was om efficiënter om te gaan met materiaalgebruik, meer specifiek germanium, bij de productie van zonnecellen voor in de ruimte. Zonnecellen voor in de ruimte zijn namelijk - anders dan voor op aarde - niet gebaseerd op silicium, maar op materialen zoals germanium en zogenaamde III-V materialen zoals GaInP of GaInAs. Deze zijn beter bestand tegen blootstelling aan ruimtestraling en je kan er ook hogere efficiënties mee bereiken. Om het gewicht zo laag mogelijk te houden, kijkt de sector hierbij sowieso naar efficiënt materiaalgebruik. Vanuit een algemene duurzaamheidsgedachte en omdat germanium een schaarser (en duurder) materiaal is, komen er voor bedrijven nog extra stimulansen bij om er spaarzaam mee om te springen.

“De gangbare manier om zonnecellen voor de ruimte te maken is om te vertrekken van germanium wafers met een dikte van ongeveer 250 micrometer en daarop de nodige andere functionele lagen aan te brengen,” legt Valérie Depauw uit. Ze was als imec projectleider en onderzoeksingenieur binnen EnergyVille betrokken in het ESA-onderzoeksproject. “Om gewicht te besparen worden de wafers vervolgens verdund tot de helft of een derde van hun dikte door germanium aan de onderkant weg te etsen. Het nadeel van die methode is dat je onnodig materiaalverlies hebt. Efficiënter zou zijn als je een laagje germanium van de gewenste dikte van de bovenkant van de wafer kan losmaken en de onderliggende wafer meermaals gebruiken. Op dat proces van dunne folies en hergebruik van de wafer richtte ons onderzoek zich.”

In het project slaagden de onderzoekers erin om germanium folies te maken van maximaal enkele tientallen micrometer dik, en daar vervolgens functionele zonnecellen mee te produceren. En dit over de volledige bruikbare oppervlakte van een wafer met diameter 200mm. Dat is groter dan de 150mm die momenteel gangbaar is in industriële productie. Voor meerdere aspecten van ruimte-PV is dit een belangrijke doorbraak: (1) het toont aan dat dunne herbruikbare germanium wafers gebruikt kunnen worden als startoppervlak om hoogefficiënte zonnecellen op te groeien; (2) dat ze voldoen als mechanische draagstructuur in het productieproces en (3) dat ze kunnen ingezet worden als onderste functionele zonnecel in een multi-junction opbouw. Aan de basis voor deze resultaten ligt kennis die imec op een slimme manier hergebruikte uit vroegere onderzoekstrajecten met silicium.

Valérie Depauw: “Zo’n twintig jaar geleden onderzocht imec of het aanbrengen van micrometer-dunne siliciumlagen een oplossing kon zijn voor het vermijden van lekstromen in geavanceerde transistoren. Hoewel dat uiteindelijk geen passende oplossing bleek, vond de onderliggende techniek rond 2008 wel haar weg naar de ontwikkeling van siliciumzonnecellen op het moment dat er een schaarste was aan polykristallijn silicium. Binnen het driejarige ESA-project hebben we deze techniek nu samen met Umicore succesvol toegepast op germanium.”

Vlaamse weeftechnologie vindt toepassing ruimtevaart-PV

Een ander mooi voorbeeld van hoe Vlaamse samenwerking een doorbraak kan betekenen voor ruimte-PV, is in het uitvinden van nieuwe oplossingen om de PV-systemen oprolbaar te maken. Tom Borgers, imec onderzoeksingenieur bij EnergyVille, legt uit: “Om meer energieopwekkend vermogen in een kleiner en lichter volume te verpakken, onderzoekt de Europese ruimtevaartorganisatie (ESA) hoe oprolbare PV-systemen de klassieke opplooibare oplossingen kunnen vervangen.”

Dankzij een ESA-samenwerkingsproject tussen imec-EnergyVille, ESA, UHasselt/IMOMEC, en VdS Weaving zou het om deze reden weleens kunnen dat Vlaamse weeftechnologie weldra in de ruimte belandt. Het project verkende de mogelijkheden om draagstructuren voor ruimte-PV te maken uit technische weefsels. Dat zijn weefsels waarin onder andere garens kunnen verweven zitten die stroom geleiden. In deze context dienden die garens bovendien te voldoen aan andere vereisten zoals mechanische stijfheid en bescherming tegen GEO-straling of fysieke impact van ruimte gruis. Bron van inspiratie voor dit ruimte-onderzoek was kennis uit LENO-PV, een project met IWT bedrijfssteun, en TWILL-BIPV, een imec.icon project, waarin de Vlaamse KMO VdS Weaving ook partner was. Deze projecten richtten zich op een esthetische integratie van zonnecellen in bouwmaterialen (BIPV, building integrated PV). Een deel van de daarin ontwikkelde processen en interconnectietechnieken bleken heel waardevol voor de uitdagingen bij oprolbare ruimte-PV.

Tom Borgers: “We toonden aan dat we met weeftechnologie heel modulair en potentieel op industriële schaal oprolbare mechanische draagstructuren voor de zonnecellen in de zonnepaneel-installatie van een satelliet kunnen maken. Binnen het project hebben we gezocht naar een betrouwbare oplossing voor de elektrische geleiding tussen de zonnecel panelen onderling en tussen de zonnecel panelen en de satelliet. Door te variëren in het weefproces en doordat weeftechnologie het mogelijk maakt om diverse nieuwe en innovatieve materialen te introduceren, konden we ook verschillende gradaties van stijfheid van het weefsel realiseren, wat nodig is voor de structurele integriteit van de installatie en om bepaalde gebieden van de structuur meer of minder flexibel te maken. Een belangrijk aspect van het onderzoek betrof daarom ook het testen van deze materialen in een gesimuleerde ruimte-omgeving. Er is nog verder onderzoek nodig om onze oplossingen productieklaar te krijgen, maar de resultaten zijn veelbelovend.”