Zonnecellen

Laatst bewerkt op: 17 okt 2023

De eerste zonnecellen werden in 1883 ontwikkeld door Charles Fritts door lagen van het materiaal selenium te bedekken met een dunne laag goud. Deze cel had een rendement van slechts 1% en was dan ook meer een ‘proof of concept’ (zelf een vergelijkbare cel met koper maken? kijk op de pagina maak je eigen zonnecel). De eerste ‘moderne’ silicium-cel werd in 1941 ontwikkeld door Russell Ohl. De eerste kristallijne silicium-panelen werden in 1954 gefabriceerd, met een rendement van 4%. Met name voor de ruimtevaart waren deze interessant, omdat voor aardse toepassingen het rendement simpelweg te laag was. In de jaren daarop werd het rendement verbeterd tot zo’n 6%. De gemiddelde commerciële zonnecel tegenwoordig haalt een rendement van ruwweg 14%.

Een zonnepaneel is in feite een verzameling van een groot aantal zonnecellen. Een zonnecel wordt met een moeilijk woord ook wel fotovoltaïsche cel (afgekort PV-systeem, van het Engelse photovoltaic cell) genoemd. De meeste zonnecellen zijn gemaakt van een laag van het materiaal silicium. Om van dit silicium een halfgeleider te maken, wordt er aan de bovenkant een laagje fosfor toegevoegd en aan de onderkant een laag borium (zie de pagina halfgeleiders voor meer uitleg). Het geheel wordt ter bescherming tussen twee glasplaten geplaatst. Zodra er zonlicht schijnt op een zonnepaneel, worden er onder invloed van deze straling elektronen ‘losgeweekt’ uit de bovenkant van het paneel; er ontstaat een vrij elektron met een bijbehorend gat. Omdat er vanwege de ongelijke ladingverdeling een elektrisch veld ontstaat op het grensvlak, kunnen de elektronen maar één kant op. Het gevolg hiervan is dat er een spanningsverschil tussen de boven- en onderkant van het paneel ontstaat. Sluit je de boven- en onderkant nu op elkaar aan, dan gaat er over de draad een stroom lopen. Aangezien de spanning over de zonnecel erg laag is (slechts een halve volt), worden vaak meerdere zonnecellen in serie aan elkaar ‘geknoopt’ in een zonnepaneel. Vervolgens zal er een omvormer (transformator) geplaatst moeten worden. Deze zorgt ervoor dat de spanning van een serie zonnepanelen (meestal rond de 24V gelijkstroom) wordt omgezet in een wisselstroom van 230V.

Een ander type zonnecellen zijn de zogenaamde dunne film zonnecellen. Deze cellen zijn, zoals de naam al aangeeft, significant (100 tot 200 keer) dunner dan hun kristallijne tegenhangers. De cellen zijn flexibel en hebben een zeer laag gewicht, waardoor ze makkelijk toepasbaar zijn op diverse oppervlakken. Het rendement van dunne film zonnecellen is een stuk lager (zo’n 6%) en het productieproces is erg complex, maar de benodigde hoeveelheid grondstof (kristallijn silicium) is zeer laag. Hierdoor zijn de cellen per oppervlakte-eenheid goedkoper dan kristallijne cellen. Deze lagere prijs weegt echter niet op tegen het rendementsverlies, waardoor je met een dunne film cel niet of nauwelijks beter uit bent.

De werking van zonnecellen (Engels)

Materialen

Voor zonnecellen zijn er drie soorten silicium beschikbaar: monokristallijn silicium, polykristallijn silicium en amorf silicium. Monokristallijn silicium wordt middels het zogenaamde Czochralsi-proces verkregen: er wordt een staaf in een vat gesmolten silicium gestoken. Het resultaat zijn ronde plakken die feitelijk uit één siliciumkristal bestaan. Deze cellen behalen het hoogste rendement, maar zijn relatief duur. Polykristallijn silicium wordt verkregen door vloeibaar silicium in een vierkantsvorm te gieten. Er zullen met het afkoelen diverse siliciumkristallen groeien, die niet allemaal naadloos op elkaar aansluiten. Deze vorm is goedkoper, maar levert dan ook een lager rendement. De laatste vorm, amorf silicium, bevat helemaal geen kristallen. Dit materiaal wordt meestal toegepast in de zeer dunne thin-film zonnepanelen. Dit materiaal is het goedkoopst te verkrijgen, maar geeft tevens de minst rendabele cellen.

Er zijn tevens andere materialen beschikbaar, maar deze zijn te duur om op grote schaal toegepast te worden. Deze technieken halen vaak hoge rendementen, maar vinden vanwege hun prijs hun toepassing meestal in de ruimtevaart. Het hoogst behaalde rendement tot nu toe (rond de 40%) behoort toe aan een door Spectrolab (deel van Boeing) ontwikkelde zonnecel. De cel maakt gebruik van spiegels en lenzen om de intensiteit van het invallende licht te hogen. Daarnaast wordt er gebruik gemaakt van verschillende lagen materiaal (het zogenaamde multi-junction principe) om meer golflengten te benutten. De materialen die voor de subcellen gebruikt worden, zijn Galliumindiumfosforide, Galliumindiumarsenide en Germanium.

Een nieuwe en zeer veelbelovende techniek zijn de zogenaamde organische zonnecellen. Deze cellen werken volgens een minder rendabel principe, maar zijn dusdanig goedkoop te fabriceren en flexibel in toepassing dat de wetenschap zich er compleet op gestort heeft.

TIP! Het rendement verhogen

Het hoogste rendement is te halen met zonnecellen die als een soort zeef opereren. Deze cellen bestaan uit diverse lagen van verschillend materiaal, die elk een deel van het zonlicht omzetten in elektriciteit. Verschillende materialen hebben immers verschillende energietoestanden en absorberen dus verschillende golflengtes. Op deze manier wordt dus een groter deel van het zonlicht benut (geabsorbeerd), in plaats van teruggekaatst. Een variant op deze techniek maakt gebruik van een prisma om het licht te splitsen voordat het het paneel bereikt. Elke lichtsoort valt op een ander type zonnecel, zodat ook hier een groter gedeelte van het zonlicht benut wordt. Met deze technieken kunnen zonnecellen met een rendement van maar liefst 40% worden gerealiseerd. Panelen gebaseerd hierop zijn echter zo duur, dat ze nog niet interessant zijn voor dagelijkse toepassingen.

Een andere, goedkopere, methode om het rendement van de zonnepanelen te verhogen, is het bundelen van zonlicht door optische instrumenten (lenzen, spiegels). Gebundeld licht is immers sterker en kan dus in principe meer elektronen ‘losweken’ uit het paneel. Door de zonnecellen in het brandpunt van het optische systeem te plaatsen, kan de opbrengst dus substantieel worden verhoogd. In Australië is men bezig met een centrale die de zon als het ware ‘volgt’ en het licht dus continu gefocust houdt op de panelen. Deze installatie moet zo’n 154 MW gaan leveren.

De limieten op rendement

Iedere materiaalsoort heeft zijn eigen eigenschappen. Eén van deze eigenschappen is de zogenaamde band gap, het energieverschil dat een elektron moet overbruggen om van de valentieband te springen naar de geleidingsband. Het is deze eigenschap die bepaalt welk deel van de zonnestraling door de zonnecel wordt geabsorbeerd. De overige straling heeft óf onvoldoende energie om de elektronen ‘wakker te schudden’ en passeert het materiaal óf heeft zoveel energie dat deze door de atomen wordt geabsorbeerd en omgezet in trillingen (warmte). Omdat de zon niet in alle golflengtes even sterk straalt, betekent dit dat sommige materialen een beter maximum rendement hebben dan andere. Hieronder een diagram waarin u voor een aantal materialen de bandgap uitgezet ziet tegen het maximaal haalbare rendement:

Niet alleen de bandgap limiteert het rendement van een zonnecel. Ook reflectieve eigenschappen van het materiaal en defecten in de kristalmatrix spelen een belangrijke rol. Om al deze beperkingen te overwinnen en een zonnecel met een hoger rendement te realiseren, is een combinatie van meerdere materialen nodig. Hierbij kan het licht dat door de eerste licht niet wordt geabsorbeerd door de tweede laag alsnog geabsorbeerd kunnen worden, enz.

Vrijblijvend advies?

Via Zonnepanelen-Info.nl kun je vrijblijvend in contact komen met diverse zonnepaneel installateurs in jouw regio. Niet alleen ontvang je dan vrijblijvend advies, je ontvangt ook vrijblijvend een prijsopgave. Het is mogelijk om zonnepanelen zelf te installeren, echter wil je dat deze minstens 25 jaar meegaan. Daarom kun je het werk overlaten aan een specialist. De prijzen lopen flink uiteen en is een goede vergelijking aan te raden. Volg het stappenplan hieronder en begin met besparen:

1. Klik op de button hieronder en laat je gegevens achter
2. Ontvang vrijblijvend tot 4 prijsopgaven in je mailbox van lokale installateurs
3. Vergelijk op basis van prijs en kwaliteit (en de voorwaarden)
4. Bespaar tot wel 30% op de kosten van een systeem