Zonnecellen (voor zonnepanelen)

Zonnecellen die gebruikt worden in zonnepanelen zijn meestal gemaakt van silicium. Dat silicium bestaat uit twee lagen. Onder invloed van licht gaat er tussen de twee lagen een elektrische stroom lopen.  Het komt er op neer dat een foton (dus licht) een electron naar een ander energieniveau(valentieband) dwingt.  Daarom heten zonnepanelen ook wel fotovoltaïsche cellen (Grieks photos: licht, en Volt naar de eenheid van elektrische spanning). Afgekort wordt gesproken van PV-cellen.  Al in 1839 ontdekte de franse natuurkundige Becquerel  dat er tussen twee elektroden die hij in een zuurbad had geplaatst,  een stroom begon te lopen  zodra hij een van de elektroden aan licht blootstelde. Een verklaring van dit foto-elektrisch effect kon pas in 1921 door Albert Einstein gegeven worden. Door de Quantumtheorie te combineren met de theorie van lichtgolven. Licht werd nu niet meer beschouwd als uitsluitend een elektromagnetische trilling, maar ook als een stroom energierijke deeltjes, de fotonen. Elk voorwerp dat in het licht gehouden wordt, wordt getroffen door deze fotonen. Indien een foton voldoende energie heeft, kan het een elektron vrijmaken uit een atoom vrij maken, waadoor het belichte materiaal elektrisch geladen wordt.
Gangbare zonnecellen bestaan doorgaans uit een 0,3 .. 0,4 mm dikke plak silicium, bestaande uit een pn-laag.  Het p-n grenslaagje gedraagd zich als een diode, dat wil zeggen dat het elektronen maar in één richting doorlaat. Zodra er licht (fotonen) op de n-laag instraalt wordt er een spanning opgewekt van ca. 0,3 – 0,5 Volt. Deze spanning wordt d.m.v. metaalcontacten afgetapt.

Verschillende soorten zonnecellen


Soorten zonnecellen: mono, poly, amorf, asi, cisWe onderscheiden twee soorten kristallijne zonnecellen: mono- en polykristallijne zonnecellen. Dit onderscheid heeft te maken met de manier van produceren.  Als zuiver vloeibaar silicium als een enkel  groot kristal afkoelt, is het resultaat een grote kristallen staaf, die daarna in plakjes (wafers) gezaagd word. Met opdampen wordt een grenslaagje (junction) op het n-silicium aangebracht. Hier wordt weer het p-silicium op aangebracht. Vervolgens worden de elektroden aangebracht om de stroom te transporteren. De aldus gefabriceerde zonnecel noemt men een monokristallijne zonnecel, te herkennen aan de diep donkerblauwe kleur en het egale oppervlak. Dit zijn de duurste zonnecellen, maar ze hebben ook het beste rendement! (ca. 27 % in het laboratorium, en max. 21% bij praktijktoepassingen, stand 2015).

Poly zonnecellen

Men kan ook zonnecellen maken door gesmolten silicium in blokken te gieten, en dan af te laten koelen. Hierbij vormen zich meerdere siliciumkristalvormen, dit in tegenstelling met de monokristallijne zonnecel.  Ook hier worden de siliciumstaven weer in plakjes gezaagd en op identieke wijze bewerkt. We hebben nu een polykristallijne zonnecel. Dit procédé is goedkoper dan om monokristallijne zonnecellen te maken. Maar het rendement is iets lager. Polykristallijne zonnecellen zijn te herkennen aan de blauwe of grijze kleur, en een kenmerkend ‘schervenpatroon’ in verschillende blauwtinten (laboratoriumrendement ca. 24%. In de praktijk ca . 20%, stand 2015). De ontwikkelingen in de PV-wereld gaan snel. Ieder jaar verbeterd men de technieken om meer Wp per m² te produceren. Het rendement van zonnepanelen (een zonnepaneel bestaat uit een reeks in seriegeschakelde zonnecellen) kan men uitrekenen op de datasheetpagina. Dit kan een argument zijn om te kiezen voor een bepaald type zonnepaneel.

Dunne film technologie

Een andere vorm van PV zijn de elementen gemaakt met de dunnelaagtechnologie. Hierbij wordt gebruikgemaakt van amorf  (vormloos, geen kristalstructuur) silicium. Deze elementen hebben een lager rendement, maar zijn ook beduidend goedkoper. Het rendement van gangbare zonnecellen ligt tussen ca. 5 en 25%, waarbij de cellen met betere rendementen wel meestal onevenredig veel duurder zijn.  Deze zonnecellen treft men vaak aan in rekenmachientjes, tuinverlichting of opladers. Het fabricageproces is goedkoop omdat er niet gezaagd hoeft te worden. Er zijn zelfs machines die als een soort printer de siliciumlaag aanbrengen op een flexibele ondergrond. Ondanks de lage vermogensopbrengst per m² in vergelijking met kristallijne zonnecellen hebben deze zonnecellen ook veel voordelen, en met mogelijk in de toekomst nog verdere verbeteringen in het vooruitzicht, wachten veel mensen deze ontwikkeling af. Mocht men er in slagen met deze techniek een zelfde hoog rendement te halen als met kristallijne zonnecellen, dan wordt zonne-energie voor iedereen heel betaalbaar. Op een PV-paneel is een enkele cel als een ‘streep’ te herkennen.

Geprinte Perovskite zonnecellen

Lux-research ontwikkeld in samenwerking met een aantal toonaangevende universiteiten organische zonnecellen. In het laboratorium zijn al rendementen van 21% gemeten (stand 2016). Het voordeel van deze zonnecellen is dat ze zeer eenvoudig en goedkoop geproduceerd kunnen worden. Volgens Lux-research zouden rond 2019/2020 zonnepanelen met Perovskitecellen seriematig voor een commercieel aantrekkelijke prijs geproduceerd kunnen worden. Het geheim van deze cellen is de structuur, de zogenaamde Perovskitestructuur. Een perovskite is een materiaal met hetzelfde type kristalstructuur als calcium titanium oxide. De structuur heeft deze naam gekregen van de Russische Mineraaldeskundige L.A. Perovski (1792 – 1856). Het mineraal zelf is voor het eerst ontdekt door Gustav Rose in 1839 in het Oeralgebergte in Rusland.

Opnemen van een spanning/stroom karakteristiek van een zonnecel. Hoe werken zonnepanelen?

Het MPP

Zodra de zonnestraling toeneemt neemt de spanning over de zonnecel toe. Indien er niets op de zonnecel aangesloten is, noemt men dit de open klem spanning (eng. Open source voltage). Om een stroom/spanningsdiagram te maken kan men een regelbare weerstand (potmeter) aansluiten (zie figuur hiernaast) en door de weerstandswaard te wijzigen bij constante lichtinstraling de U/I-karakteristiek opmeten.

Verder kunnen we nog experimenteren met de sterkte van de lichtinstraling.  Hiervoor is wel een lichtintensiteitsmeter en (kunst)matige zon nodig. Uit eerdere experimenten kan men afleiden dat de spanning tot ca. 100 W/m² lichtinstraling de spanning sterk afhankelijk is van de lichtinstraling. Boven de 100 W/m² blijft de spanning vrij constant, en wordt deze hoofdzakelijk nog beinvloedt door de temperatuur. Hoe hoger de temperatuur, des te lager de spanning. Het vermogen van een zonnecel wordt bepaald met de formule P = U . I. Daar de celspanning vrij constant is, wordt het vermogen vooral door de stroom bepaald, die afhankelijk is van de kracht van de instralende zon. Het punt waar het maximale vermogen geleverd wordt noemt men het MPP (engels: Maximal Power Point).   Het vermogen in het PMP (PMPP=UMpp .  IMPP) wordt uitgedrukt in Wattpeak (Wp). Ook voor een aantal zonnecellen in serie geschakeld (zonnepanelen) speelt dit punt een belangrijke rol. De meeste datasheet van zonnepanelen vermelden deze waarden.

Spanning en stroom van een zonnepaneel in relatie tot lichtinstraling

 

Volgende pagina: Cel technologie