Zonnecellen voor extreme omstandigheden in Aerospace-toepassingen

Drones gaan veel taken van helikopters en boten overnemen bij de politie, het leger, de marine, de kustwacht en de reddingsbrigade, en tegelijkertijd zullen ze hun data draadloos communiceren naar de controlepost. Denk hierbij aan surveillance bij publieke demonstraties, het volgen van verdachten door de politie, de kustverdediging en verkenning van vijandelijk gebied door de strijdkrachten. Of aan het speuren naar drenkelingen op open water tijdens een warme zomerdag, of na een ongeluk op zee.

Zonnepanelen op drones

De tijd die deze functionele drones in de lucht kunnen blijven is van grote invloed op hun effectiviteit, dus het bijladen van de batterijen tijdens de vlucht heeft een grote meerwaarde. Dit kan door middel van het integreren van zonnepanelen op de drone, die zonlicht opvangen en zo de accu bijladen. Het kan ook door zonnecellen aan de onderkant van de drone aan te brengen, die aangestraald kunnen worden door een hoge intensiteits-laser vanaf het land of een schip, en deze lichtenergie vervolgens omzetten in elektriciteit.

Razendsnel internet

Een ander groeiend toepassingsgebied voor zonnecellen in Aerospace zijn de netwerken van tienduizenden LEOSats (Lower Earth Orbit Satellites), die worden uitgerold om wereldwijd snel en draadloos internet aan te kunnen bieden. Bedrijven als Amazon en SpaceX zijn hier hard mee bezig. Een van de drijvende krachten voor de ontwikkeling van deze Satellieten is dat slechts een klein deel van de wereldbevolking hoogwaardig internet (4G of 5G) kan krijgen via het cellulaire netwerk, en dat toegang tot breedband internet een zeer bepalende factor is voor economische ontwikkeling in ontwikkelingslanden.

Oorspronkelijke toepassing

Ruimtevaart (de 'Space Race' in de jaren 60) was de eerste grote drijfveer voor de ontwikkeling van silicium zonnecellen. Vervolgens ging men voor deze toepassing verder met het ontwikkelen en optimaliseren van meerlaagse dunnefilm zonnecellen gebaseerd op andere materialen dan silicium, zoals gallium-arsenide (de zogenaamde 'samengestelde halfgeleiders uit de groepen III en V van het periodiek systeem der elementen’). Deze zogenaamde III-V cel-architecturen presteerden door hun hoge omzettingsrendement en lage gewicht in het algemeen beter voor deze toepassing, maar zijn gebaseerd op schaarse grondstoffen en dan ook veel duurder om te produceren.De grotere volumes aan zogenaamde pv-modules die nodig zijn voor de LEOSat-internet toepassing, en het kostenplaatje dat laag gehouden moet worden, zorgen ervoor dat silicium-technologie wordt gezien als de meest geschikte optie voor deze groeiende markt.

Voor een grootschalige toepassing van dit concept hebben zowel de drones als de LEOSats toegang nodig tot robuuste silicium zonnecellen met een goed rendement (20+%) die goedkoop geproduceerd kunnen worden. Het elektrische en geometrische ontwerp van deze pv-cellen moet een vrije vormfactor hebben, en dus makkelijk kunnen worden aangepast. Zo kunnen de zonnecellen eenvoudig in een lichtgewicht modulesysteem (de PV array) ingepast worden dat op een slimme manier in de drone of de LEOSat is geïntegreerd.

Belangrijke succesfactoren voor deze zonnecellen en de arrays waar ze inzitten zijn:

• Mechanisch robuust en semi-rigide
• Bestendig tegen hoge temperaturen en met een goede uitstralings-coëfficiënt voor een effectieve zelfkoeling
• Bestendig tegen uv-straling en ruimtestraling die buiten de dampkring voorkomt
• Bestendig tegen grote en hoogfrequente temperatuurschommelingen
• Zelfherstellend vermogen (want onderhoud of reparatie tijdens de operatie is natuurlijk moeilijk, zo niet onmogelijk)

TNO werkt met verschillende partners aan zeer innovatieve concepten voor deze toepassingsgebieden, gebruik makend van de ervaring en capaciteiten in het ontwerp en de modificatie van silicium-cellen, en van de achterzijde-contactfolie technologie die bij TNO in Petten is ontwikkeld. Deze geavanceerde cel-interconnectie technologie biedt grote voordelen voor het vervaardigen van speciale ontwerpen en de robuustheid in moeilijke operationele omgevingen en blootstelling aan extreme temperatuureffecten.