Dit is een leuk onderwerp dat niet zo heel makkelijk te vinden is op deze manier op het internet (en sterker nog, wat maar weinig mensen die bezig zijn met zonnepanelen echt precies weten). Wat er in een zonnecel gebeurt is precies het omgekeerde van wat er in een LED gebeurt, en dat maakt het wellicht een stuk makkelijker om hier informatie over te vinden. In het kort:
Licht (fotonen) kun je zien als kleine energiepakketjes. De golflengte (kleur) van het licht bepaalt hoeveel energie er in elk foton zit volgens de
formule:
E = hc/l
waarbij h de
Planck-constante is, c de lichtsnelheid (299792458 m/s) en l de golflengte van het licht. Je kunt zo bijvoorbeeld berekenen dat een 'blauw' foton (foton met een golflengte van 400nm) een energie bevat van 3.1 elektronvolt. Wat is een elektronvolt en wat kun je ermee?
Elektriciteit bestaat uit elektronen met een bepaald potentiaal (in volts) en een stroomsterkte (in ampères). De stroomsterkte kun je ook uitdrukken in het aantal elektronen dat door een geleider gaat, en één ampère staat gelijk aan 6.24 x 10
18 elektronen die per seconde door een geleider vloeien. De energie die in elk elektron zit bepaalt de spanning, en een elektronvolt is dan ook de hoeveelheid energie die nodig is om een elektron één 'volt' energie te geven.
In een zonnecel wordt licht in elektriciteit omgezet doordat een foton zijn energie afgeeft aan een elektron. Die energie wordt dan omgezet in een spanning. Een blauw foton heeft 3.1eV energie, dus die zal ervoor zorgen dat één elektron 3.1V 'spanning' krijgt. Een rood foton zal op zijn beurt een elektron 1.8V geven. Hoe komt het nu dat er energie verloren gaat?
Het is niet mogelijk om deze energie te verdelen over meerdere elektronen vanaf het foton. Je kunt niet 2 elektronen 1.55V omhoog gooien met één blauw foton. Eén foton geeft altijd al zijn energie af aan één elektron. Maar zoals je weet zit er niet één kleur licht in zonlicht, maar alle kleuren van infrarood tot ultraviolet, met veruit de meeste fotonen in het zichtbare gedeelte (van rood tot blauw). Elk foton dat tegen de zonnecel aankomt en dat zijn energie overdraagt aan een elektron zal die elektronen dus tot een andere spanning opzwepen. Zo komen er heel veel elektronen in het silicium die een verschillende spanning hebben, en dat vindt zo'n halfgeleider niet leuk. Die wil, net als in elke andere geleider, dat alle elektronen dezelfde spanning hebben.
Als je twee geleiders tegen elkaar houdt waar een verschillende spanning op staat, dan zullen ze proberen het spanningsverschil op te lossen door het verschil in spanning om te zetten in warmte. Precies hetzelfde gebeurt in een zonnecel: elektronen die door een blauw foton zijn geraakt hebben veel meer energie dan elektronen die een rood foton hebben geabsorbeerd, en het verschil wordt omgezet in warmte, zodat uit de cel alleen maar elektronen met dezelfde spanning komen. De uiteindelijke spanning waarop ze uit de cel komen is de bandgap- of junction-spanning.
Sommige cellen hebben niet één maar meerdere gebieden waarin fotonen in elektronen worden omgezet, elk met een andere bandgapspanning. Dit zijn multijunction-cellen. Elektronen met veel energie hoeven daardoor niet een heel groot deel van hun energie om te zetten in warmte om mee te doen met de minder energetische elektronen, en dit verhoogt het rendement van zulke panelen.
In LEDs gebeurt precies hetzelfde, maar dan omgekeerd. Elektronen worden op een hele specifieke spanning (2.9-3.1V) in het substraat geduwd en zenden dan in de junction een foton uit met een energie die overeenkomt met dat spanningsverschil (in dit geval dus blauw). Vervolgens zorgt een speciale (fosfor-)laag op de LED ervoor dat sommige van die fotonen een deel van hun energie afstaan in de vorm van warmte en de rest in de vorm van een foton met een langere golflengte. Zo wordt er van al dat blauwe licht wit licht gemaakt. Dit zijn heel erg nauw verwante technologieën.
Dit (fysische, onoverkoombare) fenomeen is wat veruit het grootste deel van de verliezen in zonnepanelen veroorzaakt. Je kunt het niet oplossen zonder oneindig veel junctions te gebruiken, en elke junction apart af te tappen op een aparte spanning. Dat heeft weer als probleem dat je heel veel draden over het paneel moet laten lopen, wat zon tegenhoudt. Andere oorzaken van het relatief lage rendement van zonnepanelen zijn:
- Fill factor: niet het hele oppervlak van een zonnepaneel is daadwerkelijk gevoelig voor licht, je hebt ook dingen als het frame, gaten tussen cellen, draden die over de cellen lopen. (typische fill factor: 0.4-0.7 voor een geheel systeem)
- Omzettingsverliezen van paneel naar het stroomnet, over het algemeen door gebruik van een inverter. (typische efficiëntie van een inverter: 85-95%)
- Reflectieverliezen: oude generatie vaak meer dan 20%, modernere panelen <5%
- Vieze panelen (ook wel: transmissieverliezen), variabel en afhankelijk van het systeem. Bij nietsvermoedende consumenten vaak meer dan 15% verlies na een paar jaar onderhoudsloos op het dak te liggen.
- Elektronenmobiliteitsverliezen, ook wel interne of fysische weerstand. Niet elk foton dat graag zijn energie wil afstaan aan een elektron kan ook werkelijk een elektron vinden. Sommigen worden in z'n geheel geabsorbeerd en in warmte omgezet. Dit is een effect dat kan worden opgelost door de temperatuur te verhogen.
- Fluxdichtheidsverliezen: het feit dat sommige fotonen geen elektronen kunnen vinden betekent niet dat het elektron er niet is, maar vaak dat hij op de verkeerde plek is. Door meer licht op een paneel te concentreren is de kans groter dat fotonen daadwerkelijk alle elektronen verzadigen.
- Weerstandsverliezen in het bulkmateriaal (silicium dat enkel dient om elektriciteit te geleiden, niet het actieve gebied) en draden over de cellen, dit is bij hoge lichtintensiteit een flinke domper op de feestvreugde
- Hoek waaronder het licht op de zonnecellen valt, zonnecellen staan meestal niet direct op de zon gericht
/u/10064/leuk_he.png?f=community)
/u/203831/ts2.PNG?f=community)
/u/58600/got_icoon.png?f=community)
