Zonnecellen

Zonnecellen zijn kleine elektrische cellen die ervoor zorgen dat lichtenergie omgezet kan worden naar elektriciteit. Maar wat zijn zonnecellen precies? Deze kleine vierkantjes maken zonnepanelen zo effectief, maar hoe werkt het?

Zonnecellen zijn een zeer ingenieuze ontwikkeling die mede mogelijk hebben gemaakt dat zonnepanelen gecreëerd konden worden. Deze zichtbare kleine vierkantjeskunnen lichtenergie omzetten in elektrische stroom. Deze bruikbare elektriciteit kan vervolgens weer getransporteerd worden door geleidende materialen, zodat het uiteindelijk in huishoudens en bedrijven gebruikt kan worden.

Na de bovenstaande korte uitleg over zonne cellen is het tijd om uit te leggen hoe deze dan precies worden gemaakt. Momenteel zien we voornamelijk silicium zonnepanelen. Dit is een halfgeleidermateriaal dat gebruikt wordt om het licht om te zetten naar elektriciteit. Maar waar worden zonnepanelen dan precies van gemaakt? Met silicium kunnen drie typen zonnecellen worden gemaakt.

• Amorf silicium (a-Si): deze wordt in tegenstelling tot de andere typen niet gemaakt met kristallen die uit een blok silicium worden gezaagd, maar worden als een soort fotovoltaïsche laag op het dragermateriaal aangebracht. Het voordeel van deze techniek is dat hierdoor alle vormen en maten mogelijk zijn. Dat zorgt ervoor dat amorf silicium zonnepanelen ook in flexibele varianten verkrijgbaar zijn. Naar schatting ligt het rendement na installatie tussen de 6 en 8%.
• Monokristallijne zonnecellen (sc-SI): deze zonnecellen worden uit een blok silicium gezaagd. Dit vormt samen één groot kristal. De grootte van de cellen varieert en zijn ook in een rond formaat verkrijgbaar. Monokristallijne zonnecellen blijken in de praktijk zeer effectief te zijn en leveren goede resultaten op. Na installatie wordt een rendement van gemiddeld 15-22% gezien. Een groot deel hiervan wordt omgezet in elektriciteit, maar er gaat ook een deel verloren aan warmte.
• Polykristallijne zonne cellen of multikristallijn silicium (mc-SI): dit is het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen. Hierbij wordt het materiaal uit een groot blok silicium gehaald. Dit bestaat uit meerdere kristallen. Het rendement van de zonnepanelen ligt gemiddeld tussen de 14 en 16%.

Hoe werkt een zonnecel?

Waar zijn zonnepanelen van gemaakt? Als je heel goed op het paneel kijkt, dan zie je het eigenlijk al. De kleine vierkante (en soms zelfs ronde) cellen zijn met het blote oog goed zichtbaar. Dit zijn de zonnecellen. Zoals we hierboven konden lezen, zien we in Nederland vooral silicium zonnepanelen terug. Maar hoe werkt een zonnecel dan precies? Hoe wordt een zonnepaneel gemaakt en hoe zorgt deze dan voor het beste resultaat?

Elk zonnepaneel bestaat uit meerdere zonnecellen. Deze zonnecellen zijn als een soort trein aan elkaar verbonden. Een zonnecel bestaat uit verschillende lagen. We maken onderscheid tussen de negatieve laag (n-laag) en de positieve laag (p-laag). De n-laag bestaat uit fosfor en de positieve laag uit borium. Ook zijn er in beide lagen elektronen aanwezig.

De belangrijkste functie van zonne cellen is het omzetten van licht naar elektriciteit. Elke keer als de cellen dus aan zonlicht worden blootgesteld, zullen de cellen hard aan het werk gaan om hier stroom van te maken. Dit wordt in beroepstaal ook wel het fotovoltaïsch proces genoemd. Dit gaat als volgt:

1. Zonlicht breekt door en bereikt de zonnecellen in het zonnepaneel. Lichtdeeltjes, ook wel fotonen genoemd, nemen alle energie uit het zonlicht in zich op.
2. De elektronen komen vrij door het zonlicht. Zij kunnen nu in de zonnecel vrij bewegen en doen dit tussen de lagen in.
3. Door deze beweging of wrijving ontstaat een spanning in de verbinding tussen de zonnecellen.
4. Zodra die spanning ontstaat, kan er elektriciteit gemaakt worden.
5. De elektrische stroom wordt vervolgens door het zonnepaneel afgevoerd naar de omvormer en kan zo in huis worden gebruikt voor elektrische apparaten.

Rendement zonnepaneel: afhankelijk van het soort

Rendement van de zonnepanelen is van verschillende factoren afhankelijk. Voor een groot deel van het merk zonnepaneel en de herkomst van de zonnepanelen. Waar worden zonnepanelen van gemaakt om het hoogste rendement te behalen?

Hierbij wordt vooral gekeken naar het soort zonnecellen dat op de panelen wordt gebruikt. De monokristallijn-zonnepanelen worden over het algemeen beschouwd als de zonnepanelen met het meeste rendement. De polykristallijn-zonnepanelen volgens als tweede. De amorf silicium zonnepanelen zijn van deze drie soorten het goedkoopst, maar leveren ook tegelijkertijd het minste rendement op.

Als je overweegt om zelf elektriciteit op te wekken, wil je natuurlijk ook weten hoe hoog het rendement van de zonnepanelen zal zijn. Als je weet hoe effectief de zonnecellen zijn, kun je ook eenvoudiger bepalen hoeveel zonnepanelen er nodig zijn om de benodigde hoeveelheid energie op te wekken. Helaas is nooit exact te bepalen hoeveel stroom een zonnecel precies zal opwekken. Dit is niet afhankelijk van het soort, maar ook van allerlei andere externe factoren. Denk bijvoorbeeld aan het weer, maar ook de richting van het dak.

Benieuwd naar de gemiddelde prijzen van de verschillende soorten zonnepanelen? Deze zijn te vinden bij: “Prijzen zonnepanelen”.

Het plaatsen van zonnepanelen

Zonnecellen zijn van grote invloed op het uiteindelijke rendement van de zonnepanelen. Maar zij niet alleen. Ook externe factoren spelen een belangrijke rol. Hierbij is vooral te denken aan de wijze waarop de panelen worden geplaatst. Belangrijker nog: waar deze worden geplaatst. Verreweg de beste resultaten worden gezien als de zonnepanelen op een dak richting het zuiden worden geplaatst met een hoek van 35 graden. Laat je zonnepanelen op een plat dak plaatsen? Dan bepaal je zelf hoe groot de hellingshoek wordt. Houd er wel rekening mee dat het plaatsen van zonnepanelen op een plat dak over het algemeen duurder is.

Silicium zonnepanelen worden het vaakst gebruikt in commercieel verkrijgbare zonnepanelen. Dat wil echter niet zeggen dat dit de enige mogelijkheid is. Er zijn ook andere halfgeleidermaterialen die toegepast kunnen worden. Denk hierbij aan de verbindingen koper-indium-diselenide (CIS) of cadmium-telluride (CdTe).

Waar zijn zonnepanelen van gemaakt? Ze bestaan uit zonnecellen van één bepaald materiaal. Meestal zien we silicium terug, maar ook andere soorten komen voor. De hoeveelheid zonlicht dat effectief in stroom kan worden omgezet, noemen we ook wel het rendement.

De invloed van het zonlicht

Besef goed dat niet al het zonlicht door de zonnecellen kan worden opgenomen. Als we goed kijken naar het zonlicht, dan bestaat dit uit verschillende kleuren. Je kunt dit heel duidelijk zien zodra er een regenboog ontstaat. De zonnecellen zijn niet in staat om evenveel stroom uit alle ‘kleuren’ te halen. Eigenlijk werken ze enkel optimaal voor slechts één kleur licht. Licht wat ‘te rood’ is wordt nauwelijks geabsorbeerd en zal dus ook niet benut worden in de uiteindelijke totaalopbrengst. Blauw licht wordt maar voor een deel benut.

Dit proces is beter uit te leggen door meer inzicht te geven in het proces dat zich afspeelt binnenin de zonne cellen. Het is nodig dat de elektronen in het materiaal loskomen. Deze zorgen immers uiteindelijk voor de wrijving die nodig is om stroom op te wekken. Als de energie te laag is, zullen de elektronen niet tot nauwelijks bewegen. Daarom zal niet al het zonlicht voor de volle 100% omgezet worden in stroom. Dit leidt er ook toe dat het rendement van zonnepanelen in het laboratorium onder ideale omstandigheden veel hoger ligt. In de praktijk wordt meestal een veel lager rendement behaald. Zowel door externe factoren als het gevolg van het gebruik van goedkopere materialen en goedkopere fabricageprocessen die van invloed zijn op het succes van de zonnecellen.

Rendement van zonnecellen verhogen

Het rendement van zonnecellen verhogen is de manier om meer uit een enkelvoudige cel te halen. Dit kan in de eerste plaats door de kleurgevoeligheid te verbeteren. Hierbij worden twee of drie verschillende materialen in een tandem gebruikt. Doordat de materialen gestapeld worden, zal het kleurverlies afnemen. Daarnaast kan recombinatie verminderd worden door meer elektronen los te maken. Hoewel er dan nog steeds verlies optreedt, zal er alsnog meer rendement ontstaan. Als dit gecombineerd wordt met een tandem van materialen, geeft dit theoretisch een flinke vermeerdering van de hoeveelheid rendement. Hierbij wordt een maximum rendement van ongeveer 50% gezien. Ter vergelijking: de allerbeste praktische cel van dit soort heeft een rendement van 33%.