How do Solar cells work?

In de afgelopen twee decennia heeft zonne-energie een significante bijdrage geleverd aan de totale energiecapaciteit wereldwijd. In deze blogpost wil ik uitleggen hoe zonnecellen, ofwel photovoltaïsche cellen, elektriciteit produceren. Zonne-energie is de meest voorkomende en gemakkelijk verkrijgbare energiebron op aarde. Om hier gebruik van te maken, hebben we een bijzonder materiaal nodig: zand.

Om dit zand te gebruiken in zonnecellen, moet het worden verfijnd tot 99,999% pure siliciumkristallen. Dit verfijningsproces is complex en vereist verschillende stappen waaronder de omzetting van silicium naar siliciumgas, dat vervolgens wordt gemengd met waterstof om zeer pure meerkristallijne silicium te verkrijgen. Deze siliciumstaven worden vervormd en gesneden tot uiterst dunne schijven, ook wel siliciumwafers genoemd. Deze wafers vormen het hart van de photovoltaïsche cel.

De Structuur van Silicium

Wanneer we de structuur van siliciumatomen analyseren, zien we dat ze aan elkaar zijn gebonden. Dit betekent dat de elektronen in deze structuur ook beperkt zijn in hun beweging. Om deze beperking te visualiseren, kunnen we ons een tweedimensionale structuur van siliciumkristal voorstellen. Hierin injecteren we fosforatomen, die 5 valentie-elektronen bevatten. Dit proces maakt één elektron vrij om te bewegen.

Hoe een Zonnecel Werkt

Als we nu een eenvoudige zonnecel maken met dit materiaal, merken we dat wanneer er licht op valt, de elektronen hun photonenergie krijgen en vrij kunnen bewegen. Echter, deze beweging is willekeurig en creëert geen elektrische stroom. Om de elektronenstroom in één richting te krijgen, is er een kracht nodig. Een effectieve manier om deze kracht te genereren, is via een p-n junctie.

• N-type doping: Door boor met 3 valentie-elektronen in puur silicium te injecteren, ontstaat er een 'groef' voor elk atoom, wat we p-type doping noemen.
• De p-n junctie: Wanneer n- en p-type silicium worden samengebracht, verplaatsen sommige elektronen van de n-zijde naar de p-zijde om de beschikbare groeven te vullen.

Elektrisch Veld en Stroomgeneratie

Door deze migratie van elektronen ontstaat er een depletieregio waar zich geen vrije elektronen of gaten bevinden. Dit resulteert in een permanent elektrisch veld tussen de positieve en negatieve ladingen. Wanneer licht op de p-n junctie schijnt, veroorzaakt de photonenergie dat elektron-gat paren ontstaan in de depletieregio. Dankzij het elektrisch veld verlaten deze elektronen en gaten de regio.

Hierdoor stijgt de concentratie van elektronen aan de n-zijde en de gaten aan de p-zijde tot een niveau dat een potentieel verschil creëert. Wanneer we een verbruiker aansluiten, zullen de elektronen naar de verbruiker stromen en de gaten in de p-zijde aanvullen. Dit proces zorgt ervoor dat een zonnecel continu gelijkspanning levert.

Constructie van een Zonnepaneel

In een praktische zonnecel is de bovenste n-zijde dun en zwaar gedopeerd, terwijl de p-zijde dik en licht gedopeerd is, wat de efficiëntie van de zonnecel bevordert. Een zonnepaneel zelf bestaat uit verschillende lagen, waaronder verschillende zonnecellen die onderling verbonden zijn.

Efficiëntie en Toepassingen

Ondanks dat de operationele kosten van zonnecellen laag zijn, bedraagt de wereldwijde bijdrage van zonnepanelen slechts 1,3%. Dit komt vooral door de initiële kosten en de beperkte efficiëntie van zonnepanelen, die momenteel niet kunnen concurreren met andere energiebronnen.

Zonnepanelen op woningen kunnen energie opslaan met behulp van batterijen. Echter, zonnepaneelvelden zijn doorgaans verbonden met het elektrische netwerk, vergelijkbaar met andere elektriciteitscentrales. Met behulp van omvormers wordt gelijkspanning omgevormd tot wisselspanning, zodat deze beschikbaar is voor het netwerk.

Support onze educatieve activiteiten op Patreon.com en vergeet niet je te abonneren op ons kanaal. Bedankt voor het lezen!