Wat is een zonnecel?

Wanneer licht op een fotovoltaïsche (PV) cel schijnt - ook wel een zonnecel genoemd - kan dat licht worden gereflecteerd, geabsorbeerd of recht door de cel gaan. De PV-cel is samengesteld uit halfgeleidermateriaal; de "half" betekent dat het elektriciteit beter kan geleiden dan een isolator, maar niet zo goed als een goede geleider als een metaal. Er worden verschillende halfgeleidermaterialen gebruikt in PV-cellen.

Wanneer de halfgeleider wordt blootgesteld aan licht, absorbeert deze de energie van het licht en draagt ​​deze over aan negatief geladen deeltjes in het materiaal die elektronen worden genoemd. Door deze extra energie kunnen de elektronen als een elektrische stroom door het materiaal stromen. Deze stroom wordt onttrokken via geleidende metalen contacten - de netachtige lijnen op een zonnecel - en kan vervolgens worden gebruikt om uw huis en de rest van het elektriciteitsnet van stroom te voorzien.

De efficiëntie van een PV-cel is simpelweg de hoeveelheid elektrisch vermogen die uit de cel komt in vergelijking met de energie van het licht dat erop schijnt, wat aangeeft hoe effectief de cel is in het omzetten van energie van de ene vorm naar de andere. De hoeveelheid elektriciteit die uit PV-cellen wordt geproduceerd, is afhankelijk van de kenmerken (zoals intensiteit en golflengten) van het beschikbare licht en meerdere prestatiekenmerken van de cel.

Een belangrijke eigenschap van PV-halfgeleiders is de bandgap, die aangeeft welke golflengten van licht het materiaal kan absorberen en omzetten in elektrische energie. Als de bandafstand van de halfgeleider overeenkomt met de golflengten van het licht dat op de PV-cel schijnt, dan kan die cel alle beschikbare energie efficiënt gebruiken.

Silicium

Silicium is verreweg het meest voorkomende halfgeleidermateriaal dat in zonnecellen wordt gebruikt en vertegenwoordigt ongeveer 95% van de momenteel verkochte modules. Het is ook het tweede meest voorkomende materiaal op aarde (na zuurstof) en de meest voorkomende halfgeleider die in computerchips wordt gebruikt. Kristallijne siliciumcellen zijn gemaakt van siliciumatomen die met elkaar zijn verbonden om een ​​kristalrooster te vormen. Dit rooster zorgt voor een georganiseerde structuur die de omzetting van licht in elektriciteit efficiënter maakt.

Zonnecellen gemaakt van silicium bieden momenteel een combinatie van hoge efficiëntie, lage kosten en een lange levensduur. Modules gaan naar verwachting 25 jaar of langer mee, en produceren daarna nog steeds meer dan 80% van hun oorspronkelijke vermogen.

Dunnefilm zonnecel

Een dunnefilm zonnecel wordt gemaakt door een of meer dunne laagjes PV-materiaal af te zetten op een ondersteunend materiaal zoals glas, plastic of metaal. Er zijn momenteel twee hoofdtypen dunne-film PV-halfgeleiders op de markt: cadmiumtelluride (CdTe) en koperindium gallium diselenide (CIGS). Beide materialen kunnen rechtstreeks op de voor- of achterkant van het moduleoppervlak worden aangebracht.

CdTe is na silicium het meest voorkomende PV-materiaal en CdTe-cellen kunnen worden gemaakt met behulp van goedkope fabricageprocessen. Hoewel dit ze een kosteneffectief alternatief maakt, is hun efficiëntie nog steeds niet zo hoog als bij silicium. CIGS-cellen hebben optimale eigenschappen voor een PV-materiaal en hoge efficiëntie in het laboratorium, maar de complexiteit die het combineren van vier elementen met zich meebrengt, maakt de overgang van laboratorium naar productie uitdagender. Zowel CdTe als CIGS hebben meer bescherming nodig dan silicium om een ​​langdurige werking buitenshuis mogelijk te maken.

Perovskiet-zonnecellen

Perovskiet-zonnecellen zijn een soort dunne-filmcel en zijn genoemd naar hun karakteristieke kristalstructuur. Perovskietcellen worden gebouwd met materiaallagen die worden bedrukt, gecoat of vacuüm gedeponeerd op een onderliggende steunlaag, ook wel het substraat genoemd. Ze zijn doorgaans eenvoudig te monteren en kunnen een efficiëntie bereiken die vergelijkbaar is met die van kristallijn silicium. In het laboratorium is de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen sneller verbeterd dan enig ander PV-materiaal, van 3% in 2009 tot meer dan 25% in 2020. Om commercieel levensvatbaar te zijn, moeten perovskiet-PV-cellen stabiel genoeg worden om 20 jaar buitenshuis te overleven, dus onderzoekers werken eraan om ze duurzamer te maken en grootschalige, goedkope fabricagetechnieken te ontwikkelen.

Organische Cellen

Organische PV- of OPV-cellen zijn samengesteld uit koolstofrijke (organische) verbindingen en kunnen worden aangepast om een ​​specifieke functie van de PV-cel te versterken, zoals bandgap, transparantie of kleur. OPV-cellen zijn momenteel slechts ongeveer de helft zo efficiënt als kristallijne siliciumcellen en hebben een kortere levensduur, maar kunnen goedkoper zijn om in grote volumes te vervaardigen. Ze kunnen ook worden toegepast op verschillende ondersteunende materialen, zoals flexibel plastic, waardoor OPV voor een breed scala aan toepassingen kan worden gebruikt.

Quantum Punten

Quantum dot-zonnecellen geleiden elektriciteit door kleine deeltjes van verschillende halfgeleidermaterialen die slechts een paar nanometer breed zijn, de zogenaamde quantum dots. Quantum dots bieden een nieuwe manier om halfgeleidermaterialen te verwerken, maar het is moeilijk om een elektrische verbinding tussen beide te maken, dus ze zijn momenteel niet erg efficiënt. Ze zijn echter gemakkelijk te maken tot zonnecellen. Ze kunnen op een substraat worden afgezet met behulp van een spin-coat-methode, een spray of roll-to-roll-printers zoals die worden gebruikt voor het afdrukken van kranten.

Quantum dots zijn er in verschillende grootten en hun bandafstand is aanpasbaar, waardoor ze licht kunnen opvangen dat moeilijk te vangen is en kan worden gecombineerd met andere halfgeleiders, zoals perovskieten, om de prestaties van een multijunctie-zonnecel te optimaliseren (meer hierover hieronder).

Multifunctionele cellen

Een andere strategie om de efficiëntie van PV-cellen te verbeteren, is door meerdere halfgeleiders in lagen te leggen om zonnecellen met meerdere functies te maken. Deze cellen zijn in wezen stapels van verschillende halfgeleidermaterialen, in tegenstelling tot cellen met enkelvoudige junctie, die slechts één halfgeleider hebben. Elke laag heeft een andere bandkloof, dus ze absorberen elk een ander deel van het zonnespectrum, waardoor ze meer gebruik maken van zonlicht dan cellen met één knooppunt. Multijunctie-zonnecellen kunnen recordefficiëntieniveaus bereiken omdat het licht dat niet door de eerste halfgeleiderlaag wordt geabsorbeerd, wordt opgevangen door een laag eronder.

Terwijl alle zonnecellen met meer dan één bandgap multijunctie-zonnecellen zijn, wordt een zonnecel met precies twee bandgaps een tandemzonnecel genoemd. Multijunctie-zonnecellen die halfgeleiders uit de kolommen III en V in het periodiek systeem combineren, worden multijunctie III-V-zonnecellen genoemd.

Multijunctie-zonnecellen hebben een efficiëntie van meer dan 45% aangetoond, maar ze zijn duur en moeilijk te vervaardigen, dus ze zijn gereserveerd voor ruimteverkenning. Het leger gebruikt III-V-zonnecellen in drones en onderzoekers onderzoeken andere toepassingen voor hen waarbij hoge efficiëntie de sleutel is.

Concentratie PV

Concentratie PV, ook wel CPV genoemd, richt zonlicht op een zonnecel met behulp van een spiegel of lens. Door zonlicht op een klein gebied te richten, is er minder PV-materiaal nodig. PV-materialen worden efficiënter naarmate het licht meer geconcentreerd wordt, dus de hoogste algehele efficiëntie wordt behaald met CPV-cellen en -modules. Er zijn echter duurdere materialen, fabricagetechnieken en het vermogen om de beweging van de zon te volgen vereist, dus het aantonen van het noodzakelijke kostenvoordeel ten opzichte van de huidige siliciummodules met grote volumes is een uitdaging geworden.