Expert Talk: Ontwikkeling van flexibele zonnecellen tot schaalbare productie

Hoogtepunten

• CIGS op ultradun glas maakt flexibele, lichtgewicht (tandem) zonnecellen mogelijk die ideaal zijn voor opkomende markten zoals voertuigen, lucht- en ruimtevaart en draagbare technologie.
• Om van laboratorium- naar industriële schaal te kunnen opschalen, waren herontwerp van processen en grensoverschrijdende samenwerking nodig.
• De materiaalkeuze is belangrijk: een pakket op basis van UTG kan een nog lager modulegewicht bieden dan een pakket op basis van roestvrijstalen folies.
• Het onderzoek van de volgende generatie richt zich op WSe₂-zonnecellen met volledig plastic verpakking, met als doel maximale flexibiliteit, minimaal gewicht en een vermogen-gewichtsverhouding van 3 kW/kg – meer dan drie keer zoveel als de huidige ruimtevaarttechnologie.

Zijn werk richt zich op een groeiende kloof in de zonne-energiemarkt: de vraag naar flexibele, lichtgewicht en betrouwbare fotovoltaïsche (PV) oplossingen die nieuwe sectoren kunnen bedienen – van lucht- en ruimtevaart tot automobielindustrie, en van draagbare technologie tot gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV).

“Conventionele zonnepanelen zijn te zwaar, te rigide, te duur of niet veerkrachtig genoeg voor veel opkomende toepassingen”, zegt Hamtaei. “Maar als we de materialen en productieprocessen achter deze panelen herzien, kunnen we een geheel nieuwe categorie energieoplossingen ontsluiten.”

Hamtaei’s doctoraat onderzoekt hoe dat precies kan worden gedaan – door gebruik te maken van CIGS (koper-indium-gallium-selenide) dunnefilmzonneceltechnologie op ultradunne glassubstraten (UTG), waarbij wordt opgeschaald van prototypes op laboratoriumschaal naar afmetingen die geschikter zijn voor de industrie. Daarnaast bereidt hij een volgende stap voor: de introductie van geavanceerde materialen zoals overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD) zoals wolfraamdiselenide (WSe₂) om zonnecellen verder te brengen dan hun huidige grenzen op het gebied van efficiëntie en gewichtsvermindering van modules.

Voor spelers in de industrie die hun energiesystemen toekomstbestendig willen maken of geheel nieuwe producten op zonne-energie willen creëren, bieden zijn bevindingen zowel technisch inzicht als strategische relevantie.

De verschuiving: nieuwe gebruiksscenario's, nieuwe vereisten

De zonne-energie-industrie wordt niet langer alleen vormgegeven door daken en zonneparken. Steeds meer sectoren vragen om energieoplossingen die geschikt zijn voor toepassingen waarvoor de huidige oplossingen te zwaar (en suboptimaal) of te duur (en logistiek onstabiel) zijn, zoals bij de lucht- en ruimtevaart, transport, wearables en gevelbekleding. In al deze gevallen zijn lichtgewicht, flexibiliteit en schaalbaarheid geen extra’s, maar absoluut de basisvereisten.

“In de lucht- en ruimtevaart is elke kilogram van belang”, zegt Hamtaei. “Als je het gewicht van een paneel bijvoorbeeld van 10kg terugbrengt naar 1kg, dan kun je die besparing inzetten voor sensoren, instrumenten of brandstofefficiëntie. En als de panelen flexibel zijn, kun je ze opvouwen of oprollen (ook wel stowability genoemd), waardoor transport, installatie en inzet veel efficiënter worden.”

Traditionele PV-modules – meestal gemaakt van dik glas en metalen frames – zijn te zwaar, te broos en te statisch voor deze nieuwe omgevingen (met de recente en opmerkelijke uitzondering van Solestial). Ze missen aanpassingsvermogen, integratiemogelijkheden en in sommige gevallen veiligheid. Denk bijvoorbeeld aan panelen die in voertuigen zijn geïntegreerd en bij een botsing verbrijzelen.

Dat is waar flexibele dunnefilmtechnologieën van pas komen. CIGS heeft zich al bewezen als een volwassen, zeer efficiënt dunne-filmmateriaal. Bovendien staat het bekend als een betrouwbaarder en stabieler materiaal in vergelijking met sommige alternatieven, zoals perovskieten of organische materialen. Als we opnieuw het voorbeeld van de lucht- en ruimtevaart nemen, is dunnefilm-PV veel betaalbaarder en betrouwbaarder, vanuit een supply chain perspectief in vergelijking met de bestaande III-V-optie, en veel veerkrachtiger vanuit het oogpunt van ruimtelijke stressfactoren in vergelijking met Si.

Uitdagingen bij schaalvergroting: van lab naar fabriek

Het onderzoek van Hamtaei sluit hierbij aan: hij gebruikt ultradunne (<200 μm) glassubstraten om CIGS-zonnecellen te creëren die niet alleen buigzaam zijn, maar ook zeer uniform en duurzaam. Hierbij maakt hij gebruik van industrieel haalbare methoden. Maar het ontwerpen van een flexibele zonnecel in een laboratorium is één ding. Het produceren ervan op grote schaal is een heel andere uitdaging.

In zijn doctoraatsthesis ging Hamtaei deze transitie frontaal te lijf. De meeste laboratoriumzonnecellen worden vervaardigd op kleine substraten van 5 x 5cm, maar de industrienorm ligt op wafers van 6 inch (150mm) – een bijna tienvoudige toename in oppervlakte. Dat verschilt echter ook per sector. In de lucht- en ruimtevaart wordt meestal een halve snede (half cut) gebruikt.

“Die sprong in grootte is niet onbelangrijk”, legt hij uit. “Veel laboratoriumapparatuur is simpelweg niet gebouwd om grote substraten te verwerken. We moesten vaak monsters tussen partnerlaboratoria over de grens verzenden om verschillende fabricagestappen te voltooien. Het was zeker een logistieke puzzel.”

Tijdens zijn doctoraat heeft Hamtaei dit opgelost door samen te werken met verschillende laboratoria en instellingen om elk onderdeel van het proces goed te laten verlopen.

Deze benadering weerspiegelt de realiteit van het opschalen van nichetechnologie zonder een kant-en-klare productielijn. Instellingen zoals TNO in Nederland boden toegang tot apparatuur voor het aanbrengen van coatings op grote oppervlakken, terwijl andere partners zoals Corning ultradunne glassubstraten leverden – essentieel voor Hamtaei’s focus op gewichtsvermindering en mechanische flexibiliteit. Aan de andere kant hielp de Universiteit van Luxemburg met een cruciale stap in het CIGS-proces, waarbij gebruik gemaakt werd van hun bijna afvalvrije techniek om hoogwaardig en milieuvriendelijk buffermateriaal (In2S3) te produceren.

Naast het gereedschap vereiste de overstap naar ultradun glas – van de conventionele 3mm dikte naar slechts 100 micron – een volledige herziening van het proces. In tegenstelling tot rigide substraten is dun glas flexibel en buigzaam, maar het vereist ook:

• Nieuwe afzettingsmethoden die voorkomen dat het materiaal krom trekt of breekt
• Conforme barrièrelagen om verontreiniging en diffusie te voorkomen
• Geherkalibreerde verwarmings- en behandelingsprotocollen om thermische en mechanische spanning onder controle te houden

Cruciaal was dat het hier niet ging om het kopiëren van bestaande processen naar grotere platen.

“We hebben niet alleen de monstergrootte veranderd, we moesten het volledige proces opnieuw ontwerpen”, zegt Hamtaei.

“Het proces dat we opnieuw moesten ontwerpen en optimaliseren, had meer dan 20 verschillende parameters. Als je deze parameters ziet als knoppen op een instrument, waaraan je kunt draaien om een ander resultaat te krijgen, dan waren de mogelijkheden om veranderingen aan te brengen enorm. We hebben niet al die mogelijkheden uitgeprobeerd, maar je snapt wel wat ik bedoel.”

Technische differentiatie: de juiste materialen en methoden kiezen

Hoewel flexibele zonnecellen steeds populairder worden in het onderzoeksveld, zijn niet alle benaderingen even geschikt voor toepassing in de praktijk. Het werk van Sarallah Hamtaei valt niet alleen op door wat hij bouwt, maar ook door hoe hij het bouwt en de redenering achter elke technische keuze.

De kerntechnologie in zijn onderzoek is CIGS (koper-indium-gallium-selenide) – een dunnefilm fotovoltaïsch materiaal dat bekend staat om zijn hoge efficiëntie, langdurige stabiliteit en industriële volwassenheid. Maar wat zijn aanpak nog meer onderscheidt, zijn de synthesetools die hij in zijn onderzoek gebruikt en zijn substraatkeuze: ultradun glas, in tegenstelling tot de meer gangbare metaalfolies zoals roestvrij staal.

De reden? Tijdens de hoge-temperatuursynthese die nodig is voor CIGS kunnen onzuiverheden uit roestvrij staal in de CIGS-absorbtielaag terechtkomen, waardoor prestatieverminderende defecten ontstaan – een uitdaging waar veel laboratoria en spelers in de industrie mee te maken hebben gehad. Sommige bedrijven, zoals EnFoil, Midsummer en Miasole, hebben oplossingen voor dit probleem ontwikkeld. Anderen onderzoeken alternatieve metaalfolies zoals titanium, dat vanwege zijn gunstige eigenschappen veelbelovend is voor ruimtevaarttoepassingen. Bovendien zouden verpakkingen op basis van UTG uiteindelijk kunnen leiden tot een lager totaalgewicht. In feite is de enige verpakkingstechnologie die UTG qua gewicht kan overtreffen gemaakt uit volledig kunststof, wat weer zijn eigen uitdagingen met zich meebrengt.

Het onderzoek van Hamtaei sluit hierbij aan, maar volgt een andere weg, nl. het gebruik van ultradun glas om een gelijkmatig hoge levensduur van de drager over de CIGS-absorber te garanderen en verontreinigingsproblemen te voorkomen – essentieel voor prestaties van industriële kwaliteit.

Toekomstplannen en marktgeschiktheid

Hoewel Hamtaei zich in zijn werk vooral richtte op het op industriële schaal produceren van ultradunne zonnepanelen op basis van glas, ligt de volgende sprong al in het verschiet: “In samenwerking met Stanford University en NREL hebben we WSe₂-fotovoltaïsche absorbers op polyimidefolie ontwikkeld en geëvalueerd.” Dit betekent een verschuiving op twee fronten: enerzijds naar eenvoudige, maar veelbelovende materiaalstructuren in overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD) en anderzijds naar nog lichtere, beter aanpasbare substraatmaterialen in plastic folies. Dit opent mogelijk de deur naar nog meer toepassingen, zoals wearables, waar gewicht en flexibiliteit essentieel zijn.

“Sommige uitdagingen waren zowel wetenschappelijk als logistiek van aard”, legt hij uit. “Voor de 6-inch synthese van deze materialen konden we niet alles op één plek doen en moesten we de expertise van beide partijen inzetten. Daarom moesten we monsters tussen laboratoria en landen verplaatsen om de verwerkingsstappen op elkaar af te stemmen en te optimaliseren.”

Het doel? Nog lichtere, flexibelere modules met een verwacht specifiek vermogen van 3 kW/kg – meer dan drie keer zoveel als de huidige ruimtevaarttechnologie voor zonne-energie, en dat voor een fractie van de prijs. Dit opent nieuwe mogelijkheden waar elke gram telt: satellieten, drones, wearables en zelfs elektrische vliegtuigen voor korte afstanden.

Maar de daadwerkelijke toepassing zal niet alleen afhangen van de technische prestaties.

Marktgeschiktheid betekent ook:

• Compatibiliteit met het bestaande (halfgeleider) productie-ecosysteem en de roadmap. Silicium heeft bewezen een geweldige zonnetechnologie te zijn en heeft met succes vele hindernissen op zijn weg overwonnen. Een deel van dat succes is te danken aan het feit dat silicium ook de ruggengraat vormt van de halfgeleiderindustrie. Dit betekent dat zowel gereedschappen als wetenschappelijke inzichten tussen de gemeenschappen kunnen worden gedeeld. Een soortgelijk synergetisch scenario is ideaal voor de volgende generatie zonnetechnologieën. TMD’s zijn vanuit dat perspectief geweldig.
• Bewezen duurzaamheid en betrouwbaarheid onder gecombineerde, realistische omstandigheden. Dit betekent dat, hoewel geïsoleerde stresstests veel informatie opleveren over het gedrag van materialen en apparaten, het van cruciaal belang is om cellen en modules te analyseren onder gecombineerde stressfactoren, en idealiter onder in-operando-omstandigheden.

Om dergelijke technologieën verder te ontwikkelen, bereidt Hamtaei nu een vervolgproject voor dat voortbouwt op de monolithische, grootschalige synthese van TMD-zonnecellen. Uit eerder onderzoek is gebleken dat deze films in minder dan twee uur gelijkmatig op 6-inch wafers kunnen worden aangebracht, waardoor het proces niet alleen aantrekkelijk is voor laboratoria, maar ook voor toekomstige productie op proefschaal. “We moeten ons nu richten op de fabricage van de volledige zonnecel en moeten de kwaliteit van het materiaal/apparaat onder meerdere stressfactoren beoordelen, wat zijn eigen uitdagingen met zich meebrengt. In een ander onderzoek met Argonne Lab en Stanford hebben we bijvoorbeeld de uitstekende veerkracht van ALD-gekweekte MoS2-fotovoltaïsche absorbers onder protonenstraling aangetoond. Dit is veelbelovend en moet worden aangevuld met meer betrouwbaarheidstests en idealiter gecombineerde (operando) studies.”

“Er is nog steeds een kloof tussen wat werkt in een cleanroom en wat past in een commerciële supply chain”, merkt Hamtaei op. “Maar de belangstelling groeit. Hoe meer we met echte use cases werken, hoe groter de kans dat we belangrijke technologieën kunnen ontwikkelen, partnerschappen kunnen aangaan en financiering kunnen krijgen.”

De brug maken tussen innovatie en industrie

Voor Hamtaei is flexibele zonnetechnologie niet alleen een onderzoeksambitie, maar ook een oproep om opnieuw na te denken over hoe en waar we energie opwekken.

De doorbraken in dit doctoraatsonderzoek wijzen op een toekomst waarin zonnepanelen niet langer beperkt zijn tot daken en velden, maar worden ingebouwd in voertuigen, gevelbekleding, drones en nog veel meer. Maar om dat te bereiken, zegt hij, is afstemming met de industrie essentieel – niet alleen om de productie op te schalen, maar ook om innovatie af te stemmen op de werkelijke behoeften.

“Technische oplossingen zijn alleen nuttig als ze het juiste probleem oplossen”, zegt hij. “Dat betekent dat we echte input nodig hebben van applicatieontwikkelaars, fabrikanten en systeemintegrators – mensen die de beperkingen en prestatie-eisen in hun sector kennen.”

Nu de zonne-energiesector zich uitbreidt naar mobiliteit, lucht- en ruimtevaart en infrastructuur, ziet Hamtaei EnergyVille als een belangrijke schakel tussen academische excellentie en industriële gereedheid.

Hij wijst ook op silicium als maatstaf voor succesvolle innovatie op het gebied van zonne-energie. Dankzij zijn duurzaamheid, efficiëntie en compatibiliteit met de halfgeleiderindustrie heeft het wereldwijd voet aan de grond gekregen. Nu diezelfde industrie begint met het onderzoeken van materialen van de volgende generatie, zoals WSe₂ en MoS2, is er een kans om flexibele fotovoltaïsche cellen af te stemmen op toekomstige elektronische systemen – niet alleen in het laboratorium, maar ook in gedeelde infrastructuur, gereedschappen en productie-ecosystemen.

“We publiceren niet alleen papers”, voegt hij eraan toe. “We werken aan materialen en processen die systemen in de echte wereld van energie kunnen voorzien – op een duurzame, efficiënte en grootschalige manier.”

Wil je dieper duiken in deze materie?

Bekijk recente publicaties van Sarallah Hamtaei en partners:

• The challenge of making CIGS on stainless steel substrates  (NPJ Flexible Electronics, 2023)
  Over het gebruik van roestvrij staal voor CIGS-zonnecellen.
• WSe₂ thin films on 6-inch wafers via atmospheric pressure CVD (ACS Nano, 2024)
  Introduceert een schaalbare, schone syntheseroute voor WSe₂-dunne films — de sleutel tot toekomstige hoogwaardige flexibele fotovoltaïsche cellen.
• ALD grown MoS2 thin films with outstanding radiation tolerance (IEEE PVSC, 2025)
• Flexible CIGS with non-toxic materials, and optimal bandgap for tandem solar cells (Nature Communications Materials, 2024)
  Onderzoekt op apparaatniveau de prestaties en flexibiliteit van CIGS-zonnecellen die op ultradun glas zijn gemaakt.