Hoe werken zonnecellen? – deel 1

Fotonen

Net zoals een atoom het allerkleinste deeltje is van een object, is een foton (γ) het allerkleinste deeltje lichtstraling. Een foton heeft een paar speciale eigenschappen. Zo heeft een foton geen massa en bezig het de lichtsnelheid. Het is een volkomen stabiel deeltje. fotonen hebben ook de eigenschap dat ze gemakkelijk kunnen worden geabsorbeerd worden.

Wanneer een atoom in een fotovoltaïsche cel een foton absorbeert maakt het een elektron vrij. Door de absorptie van een foton springt het elektron naar een hogere schil. Op deze vrijgemaakte plaats ontstaat er een gat. Omdat een elektron een negatieve lading heeft, is dit gat, door het gebrek aan een elektron, positief geladen. Dit gat kan worden opgevuld door een naburig elektron van een ander atoom. Door deze wisselwerking tussen atomen ontstaan verschillende positieve en negatieve ionen (gaten). Dit zorgt voor een grote geleiding wat positief is voor de opwekking van elektrische energie.
De huidige types zonnecellen zijn opgebouwd met silicium.
Bij halfgeleiders kunnen elektronen (negatieve ladingen) gemakkelijk vrijgemaakt worden (zij staan in voor de geleiding) door het toevoegen van thermische energie. In een cel worden de licht fotonen omgezet in warmte en elektrische energie.
Si + γ = Si+ + e- + Thermische energiefoton
Zolang er genoeg aanvoer is van fotonen zal het silicium elektronen afstaan, waardoor een hoeveelheid elektrische energie vrijkomt. Des te groter de aanvoer van fotonen des te meer energie er vrijkomt. Wanneer er geen aanvoer van fotonen is, Zal het silicium zijn afgestane elektron (of dat van een ander siliciumatoom) terug opnemen en dan komt er geen energie meer vrij.

Dit principe is ook toepasbaar bij andere elementen. Zo is men er in geslaagd zonnecellen te produceren die in plaats van silicium, koolstof gebruiken. Dit onderzoek is echter nog vrij nieuw en experimenteel, zo werken de koolstofzonnecellen nog lang niet genoeg energie op waardoor het rendement van deze zonnecellen heel laag ligt.

 

Opbouw van een zonnecel

Het is zeer onpraktisch om met losse zonnecellen te werken. Ze zijn namelijk heel erg broos, de contacten zijn vochtgevoelig en ze produceren apart geen afdoende voltage voor een bruikbare energiewinst. Daarom worden zonnecellen massaal in vierkante modules gezet. Deze modules worden vervolgens aan elkaar gezet en vormen zo samen een zonnepaneel.
De voorkant van de modules bestaat uit een thermisch geharde glazen plaat die ervoor zorgt dat voldoende licht doorkomt terwijl de zonnecel toch een goed beschermd is tegen het weer. De achterkant moet vooral waterdicht zijn. Bij sommige modules is de achterkant ook gemaakt van glas. Bij andere modules is hij gemaakt van een speciaal soort folie (Teflar), waardoor men het extra zware gewicht van glas kan vermeiden. De zonnecel zelf wordt dan nog is zelf beschermd door een vochtbestendige kunststof die gemaakt is van ethylvinylacetaat (EVA). Deze folie beschermt het paneel ook tegen grote temperatuurschommelingen en veroudering door UV-straling. rond de module wordt meestal een aluminium kader bevestigd voor stevigheid en montagemogelijkheden.

zonnecel

Als men bij de achterkant van de module glas gebruikt, spreekt men van ‘glas-glas’ modules of van ‘semitransparante Pv-modules’. Deze modules worden vaak gebruik in glazen verandadaken, in verglaasde woonkamerdaken en in verticale glazen gevels. Door de zonnecellen wijder uit elkaar te plaatsen laat de module nog wat licht door.

Aangezien semitransparante modules nogal vaak specifiek op maat worden gemaakt zijn de kostprijzen hiervan enorm duur.
PV-modules met dunne films kunnen verschillende vormen aannemen, afhankelijk van hun drager (het materiaal waarop de dunne film is aangebracht). Filmmodules zijn slechts langs de bovenkant bedekt met een dunne glaslaag. Deze modules hebben leuke toepassingen. Zo heeft men een e-paper gemaakt met flexibele zonnecellen om zo papier na te bootsen.

Algemene indeling van een zonnecel

Een zonnepaneel bestaat uit een aantal cellen die lichtenergie omzetten in elektrische energie. Het zonnepaneel dat we in het volgende voorbeeld gebruiken heeft 60 zonnecellen. Al deze zonnecellen staan in serie geschakeld. Dit wil zeggen dat alle cellen met elkaar verbonden zijn via geleiders. Door elke zonnecel lopen drie metalen geleiders die de opgewekte elektrische energie geleiden naar de negatieve pool van de serie.
De hoeveelheid energie die een zonnecel produceert, uitgedrukt in watt, hangt af van de hoeveelheid ampère en volt die de cel produceert.
I x U = W
In ons voorbeeld produceert onze zonnecel een maximum van 8 Ampère, bij een 0,5 Volt bij STC, een inschijning van 1000W/m². Het voltage wordt opgeteld in de 60 zonnecellen (een paneel produceert dus zo’n 30 Volt), terwijl de Ampèrage hetzelfde blijft. Hoe efficiënter de cellen hoe meer ampèrage men uit een zonnecel kan halen. Het is echter wel zo dat de totale hoeveelheid stroom van het zonnepaneel gelijk is aan de kleinste hoeveelheid ampère in een enkele cel van dit paneel. Dit kan het wattage, en dus de opbrengst van de zonnepanelen drastisch verminderen. Bij de verschillende hoeveelheden lichtinschijning verandert onze ampèrage, de voltage is hier verwaarloos minder afhankelijk van.

zonnepaneelTheoretisch voorbeeld
Een optimaal werkend zonnepaneel heeft een voltage van ongeveer 30 Volt en een Ampèrage van 8.
8A x 30V = 240W
Een deel van een zonnecel is beschaduwd waardoor de desbetreffende cel nog maar 6 ampère produceert. De andere cellen produceren nog een maximum hoeveelheid stroom van 8 Ampère. De serieschakeling zorgt er echter voor dat de productie van alle zonnecellen wordt gereduceerd tot zijn zwakste schakel (in dit geval die van 6 Ampère).
Dit geeft dan;
6A x 30V = 180W
Wat een verlies van 60 W betekent, enkel en alleen omdat er één cel van de zestig een kleiner ampèrage levert.

Lees hier het vervolg!

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *