In-cel bypass-dioden voor hoogrendement en schaduwtolerante achtercontact silicium fotovoltaïsche modules

Veiliger zonnepanelen voor alledaagse daken

Dakzonnepanelen zouden stilletjes decennia lang stroom moeten leveren, maar in de praktijk worden ze bedekt door bladeren, sneeuw, schoorstenen en naburige gebouwen. Zelfs kleine schaduwplekken kunnen een paneel van vermogen beroven en, nog zorgwekkender, gevaarlijk hete plekken creëren die de hardware kunnen beschadigen. Dit artikel onderzoekt een nieuw soort siliciumzonnecel die een veiligheidsfunctie direct in elke cel inbouwt, waardoor zonnepanelen zowel efficiënter als veel toleranter voor alledaagse schaduwen worden.

Waarom schaduw zo’n groot probleem is

Een zonnepaneel is geen enkel apparaat maar een keten van vele cellen die met elkaar zijn verbonden. Wanneer één cel in de schaduw staat, daalt de elektrische stroom ervan, terwijl de overige verlichte cellen toch blijven duwen om stroom door die cel te sturen. De beschaduwde cel wordt dan in een elektrische toestand gedwongen die omgekeerde polarisatie wordt genoemd, waarbij hij niet langer als stroombron fungeert maar als energievreter. Het resultaat kan ernstige oververhitting in kleine delen van de cel zijn, bekend als hot spots, die energie verspillen en, in extreme gevallen, onderdelen van de module kunnen beschadigen of zelfs doen ontvlammen. Standaardbescherming gebruikt extra elektronische onderdelen, zogenaamde bypass-dioden, rondom groepen cellen, maar het plaatsen van één diode per cel zou te omvangrijk en duur zijn, en het groeperen van veel cellen onder één diode biedt maar gedeeltelijke bescherming.

Elke cel als eigen veiligheidsklep

De auteurs stellen een slimme herontwerp voor van achtercontact-siliciumzonnecellen zodat elke cel zijn eigen ingebouwde “bypass”-gedrag bevat zonder aparte componenten toe te voegen. In plaats van te vertrouwen op één externe diode die veel cellen redt, ontwerpen ze de lagen aan de achterkant van de cel zodanig dat er vele kleine omgekeerde-geleidingskanalen over het oppervlak verspreid ontstaan. Deze kanalen blijven in wezen uit tijdens normaal gebruik, waardoor hoge efficiëntie behouden blijft, maar schakelen in wanneer de cel door schaduw in omgekeerde richting wordt gedwongen. In feite krijgt de cel een interne veiligheidsklep die automatisch een stroompad biedt om rond beschaduwde gebieden te lopen voordat gevaarlijke spanningen en hot spots zich kunnen vormen.

Hoe de verborgen kanalen in de cel werken

De kern van het ontwerp is een zorgvuldig gestapelde combinatie van materialen aan de achterkant van de siliciumwafer. Achtercontactcellen plaatsen al plus- en minkontacten naast elkaar aan de achterzijde, gescheiden door smalle openingen. Het team benut de randen van deze openingen om overlappende dunne lagen in te voegen die elektronen in het ene deel en gaten (hun positieve tegenhangers) in het andere deel bevoordelen. Onder omgekeerde polarisatie reizen elektronen die de beschaduwde cel binnendringen door het silicium en worden ze naar deze overlappende regio’s geleid, waar het energielandschap hen toestaat door de stapel te “tunnelen” en opnieuw te verschijnen als stroom die veilig kan worden afgevoerd. Omdat vergelijkbare stapels honderden keren over de achterkant van de cel worden herhaald, spreidt de omgekeerde stroom zich uit in plaats van te concentreren op een enkel zwak punt. Simulaties en metingen tonen aan dat deze ontworpen kanalen zich gedragen als vele kleine, speciaal afgestemde diodes die direct in de cel zijn geïntegreerd.

Hoge prestaties behouden bij alledaags zonlicht

Elk extra stroompad loopt het risico een lek te worden dat energie verspilt wanneer de cel normaal werkt. Een belangrijke prestatie van dit werk is het ontwerpen van de gestapelde lagen zodat ze aanzienlijke stroom alleen geleiden wanneer de cel in omgekeerde richting wordt gedwongen, maar nauwelijks bijdragen wanneer de cel in de gebruikelijke voorwaartse richting werkt. Het team analyseert hoe elektronen en gaten zich door de stapels bewegen onder beide condities en past de dikte en materiaaleigenschappen aan zodat het tunneling-effect geleidelijk uitvalt wanneer de voorwaartse spanning oploopt naar het werkpunt van de cel. Als resultaat bereiken prototype-apparaten met de nieuwe structuur een gecertificeerd rendement van 27,49%, vergelijkbaar met de beste achtercontact-siliciumcellen, terwijl ze toch sterke omgekeerde geleiding bieden wanneer dat nodig is.

Koelere, stabielere panelen onder realistische omstandigheden

Om te testen of dit microscopische herontwerp in de echte wereld verschil maakt, bouwden de onderzoekers volledige zonnemodules met hun nieuwe cellen en vergeleken ze die met conventionele modules onder zware schaduwtests. Wanneer meerdere cellen zwaar werden beschaduwd, ontwikkelden standaardmodules warme gebieden die snel opliepen tot ongeveer 190 graden Celsius. De nieuwe modules, daarentegen, stabiliseerden rond 90 graden, met warmte die gelijkmatiger werd verspreid en veel minder blijvend beschadigde plekken. In tests waarbij slechts een deel van een enkele cel werd beschaduwd, verloren conventionele modules bijna de helft van hun vermogen, zelfs met externe bypass-dioden aanwezig. Modules met de nieuwe cellen lieten slechts bescheiden vermogensdaling zien, wat aantoont dat de ingebouwde kanalen helpen de elektriciteit soepeler te laten doorstromen ondanks ongelijkmatig licht.

Een stap naar slimmer en robuuster zonne-energie

Dit werk toont aan dat bescherming tegen schaduw niet uit extra bedrading en componenten buiten de cel hoeft te komen. Door bypass-gedrag in de structuur van de cel zelf te weven, creëren de auteurs zonnemodules die zowel zeer efficiënt als veel toleranter voor alledaagse schaduwen zijn, terwijl ze mogelijk kosten en complexiteit verlagen. Naarmate zonne-energie zich verspreidt over volle daken en in steden met veel obstakels en variabel licht, kunnen dergelijke zelfbeschermende, schaduwtolerante cellen zonnesystemen veiliger, duurzamer en betrouwbaarder maken voor zowel huiseigenaren als netbeheerders.

Bronvermelding: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

Trefwoorden: zonnecellen, gedeeltelijke schaduw, achtercontact silicium, bypass-diode, fotovoltaïsche modules