Typen en werking PV zonnepanelen

Zonnepaneel typen

De meest herkenbare vorm van zonne-energie in Nederland zijn fotovoltaïsche zonnepanelen. Fotovoltaïsch wordt ook wel aangeduid als PV, naar het Engelse Photo(=licht)Voltaic(=elektriciteit)). Met fotovoltaïsche systemen wordt het zonlicht in één stap wordt omgezet in elektriciteit.

PV zonnepanelen zijn opgebouwd uit zonnecellen. Het formaat van een zonnecel bedraagt 125 x 125mm (5x5 inch) maar veelal 156 x 156mm (6x6 inch). Dit is een standaard productie afmeting voor de plakken silicium (wafers) op basis waarvan de meeste zonnecellen worden geproduceerd.

Er bestaan verschillende typen zonnepanelen. Tot de vaste zonnecellen gemaakt van silicium behoren de mono- en polykristallijn zonnepanelen. Dit zijn de meest toegepaste zonnepanelen in Nederland: 

• De monokristallijne zonnecel. Een monokristallijne zonnecel is een plakje van één enkel groot kristal, vandaar mono. De mono-kristallijne zonnecel heeft een donkere kleur en kent een egale structuur. Donkergekleurde zonnecellen hebben een lage reflectie voor zichtbaar licht en zijn daarmee efficienter. Het productieproces van een mono-kristal is intensiever dan dat van een poly-kristal. Hierdoor kan een mono-kristallijn paneel duurder zijn dan een polykristallijn zonnepaneel. De cellen kenmerken zich door de afgeronde hoeken. Mono-kristallijne zonnecellen presteren iets beter dan poly-kristallijn cellen bij hogere celtemperaturen lees hogere buitentemperaturen.
• De multi- of polykristallijne zonnecel: Polykristallijne zonnecellen worden gezaagd uit één blok silicium. Tijdens het productieproces van het silicium zijn in het materiaal meerdere kristallen ontstaan, vandaar poly. Anders dan in een monokristallijne zonnecel zijn de kristallen in een polykristallijne zonncel dus niet geordend. In het uiterlijk van het paneel is dit zichtbaar. De cellen lijken uit allemaal kleine stukjes te zijn opgebouwd. De cellen ondergaan tijdens het productieproces verschillende stappen. Zo wordt de oppervlakte bewerkt en worden de cellen blauw gekleurd. Dit met het doel zoveel mogelijk licht te vangen. Een voordeel van het productieproces is dat er vierkante cellen worden geproduceerd. Polykristallijne cellen kunnen vervaardigd worden van restanten silicium die opnieuw gesmolten worden. Deze restanten kunnen bijvoorbeeld afkomstig zijn uit de computerchip industrie of van gerecycelde zonnepanelen.

Ten aanzien van mono- en multikristallijne zonnepanelen wordt een onderscheid gemaakt tussen standaard en geavanceerde panelen. Het verschil wordt gemaakt op basis van toegepaste technieken voor efficiency verbetering.

Notabene: In Nederland dat een gematigd zeeklimaat heeft, gekenmerkt door veel bewolking en daarom relatief veel diffuus licht, zijn polykristallijne zonnecellen mogelijk efficienter dan monokristallijne zonnepanelen. 

Onderstaande (Engelstalige) youtube filmpjes tonen achtereenvolgens:

• Het productieproces van een silicium wafer.
• De bewerking van wafer tot zonnecel.
• De fabricage van een zonnepaneel.

Verschillende gangbare typen zonnecellen en zonnepanelen

12 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

De meer reguliere mono- en polykristallijne zonnepanelen worden nog steeds verder verbeterd door het aanbrengen van betere scheidingslagen en efficientere afwerkingen.

De meeste ontwikkelingen op het gebied van zonnecellen vinden echter plaats bij de ontwikkeling van (nieuwe typen) dunne film zonnecellen. Dunne film zonnecellen kunnen op basis van flexibel materiaal worden geproduceerd wat de toepasbaarheid van deze zonnecellen vergroot. Tot de familie van dunne film zonnecellen behoren onder meer de volgende typen:

• Amorf silicium zonnecel (a-Si): Dit type silicium heeft in de basis een ongeordende atoom structuur waardoor er meer omzettingsverlies kan optreden. Dit type zonnecel kende ook de eerste toepassingen zoals in horloges en calculators. Het productie proces maakt gebruik van een chemisch opdampproces waarbij een dunne laag silicium op een ondergrond wordt aangebracht. Hierdoor onstaat een zeer dun materiaal. Vergelijk ongeveer 1 micron (0,001 mm) dikte ten opzichte van ongeveer 200 micron (0,2 mm) voor mono- en polykristallijn cellen. De electrische verbindingen worden in horizontale richting geetst door lasers waadoor dunne-film zonnecellen minder gevoelig zijn voor schaduw. De prestaties van dunne-film zonnecellen zijn uitstekend bij hoge temperaturen. Het marktaandeel voor a-Si zonnecellen gebaseerde modules bedroeg in 2014 zo'n 8%.
• Cadmium telluride (CdTe) zonnecellen: Hoewel bij normaal gebruik en zelfs bij brand er geen Cadmium vrij zal komen heeft deze technologie het grote nadeel dat Cadmium zeer giftig is. Daarnaast heeft het, net als lood en kwik, de eigenschap zich in de voedselketen op te stapelen. CdTe zonnecellen zijn goedkoop te produceren maar zijn dus onvoldoende duurzaam. Het marktaandeel voor CdTe zonnecellen gebaseerde modules bedroeg in 2014 zo'n 4%.
• Micro- of nanokristallijn of CIGS zonnecellen: CIGS staat voor Copper Indium Gallium (di)Selenide en wordt vaak afgekort als CIS. CIS zonnecellen kunnen als het ware worden geprint. Er wordt geen gebruik gemaakt van silicium als halfgeleider materiaal maar van een combinatie van eerder genoemde elementen. Voor de productie van CIS zonnecellen is weinig materiaal nodig en CIS zonnecellen zijn één van de best presterende dunne film zonnecellen. Een aantal van de grondstoffen die voor de productie van CIS panelen gebruikt worden zijn zeldzaam en daarom vrij kostbaar. CIS panelen zijn veelbelovend maar hebben vooralsnog een laag marktaandeel. CIS panelen kunnen op basis van glas of op basis van buigbare en flexibele materialen, zogeheten substraten, worden geproduceerd. Het marktaandeel voor CIGS zonnecellen gebaseerde modules bedroeg in 2014 zo'n 2%.

Verschillende soorten dunne film zonnecellen

10 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

Er zijn nog diverse andere types veelbelovende dunne film zonnecellen zoals:

• De Dye-Sensitized zonnecel (DSSC, DSC, DYSC of Grätzel-zonnecel) is een type foto-elektrochemische zonnecel dat zonlicht met kleurstoffen omzet in elektrische energie. Eenvoudig en goedkoop te produceren. 
• De nano-kristallijn silicium zonnecel (nc-Si of met extra waterstof nc-Si:H), ook wel aangeduid als micro-kristallijn silicium. Dit is een type zonnecel dat een hoge omzettingsefficiency kan behalen.
• Organische zonnecellen (plastic of polymeer zonnecel): Dit type zonnecel wordt organisch genoemd omdat de gebruikte materialen gebaeerd zijn op carbon. Dit type zonnecel is zeer licht en flexibel. Deze zonnecellen zouden in de toekomst wel eens in de vorm van verf ingezet kunnen worden. 

Zonnepanelen

Zonnepanelen zijn opgebouwd uit meerdere zonnecellen die ingeklemd zijn tussen een aantal functionele lagen. Om licht door te laten naar de zonnecellen en de zonnecellen te beschermen is de bovenzijde van een vast zonnepaneel voorzien van gehard glas. Om zonnepanelen zonder schade te monteren op bevestigingsframes zit er meestal een rand van aluminium of corrosie bestendig metaal omheen.

Moderne zonnepanelen kennen extra functionele lagen zoals zichtbaar is in onderstaande afbeeldingen. De afbeelding aan de linkerzijde toont de opbouw van een flexibel dunne film zonnepaneel. De afbeelding aan de rechterzijde toont de opbouw van een stijf kristallijn zonnepaneel.

Zonnepanelen zijn er in veel verschillende maten. Zonnepanelen die veelal op daken van gebouwen liggen meten vaak 6 x 10 (60) of 6 x 12 (72) zonnecellen. Maar er zijn grotere en kleinere panelen voor verschillende toepassingen.

Vanuit elk zonnepaneel komen twee aansluitingen, positief en negatief. Die kunnen al naar gelang doorgelust worden naar de volgende panelen. Een serie geschakelde panelen is een string. Per string worden de panelen aangesloten op een inverter. Een string is veelal gemaximaliseerd naar vermogen en / of naar een set panelen die zich in dezelfde zon/schaduw opstelling bevinden. Meer informatie hierover is te vinden in De Solar Inverter (DGEM).  

Binnen in de zonnecel

• Silicium bestaat uit kleine atomen die geladen zijn met elektronen. Tussen de beide silicium lagen bevind zich een electronische voeg (scheidingsvlak).
• De twee silicium lagen zijn verschillend behandeld om een spanningsverschil tussen beide lagen te kunnen genereren.
• Om een zonnecel een negatief spanningsverschil te kunnen laten genereren is het p-type silicium (bijvoorbeeld) gecombineerd met boron. Onder invloed van fotonen wordt een tekort aan electronen gecreeerd.
• Om een zonnecel een positief spanningsverschil te kunnen laten genereren is het n-type silicium (bijvoorbeeld) gecombineerd met fosfor. Onder invloed van fotonen wordt een overschot aan electronen gecreeerd. 
• Het toevoegingsproces om de electrische eigenschappen van silicium aan te aan te passen wordt dotering, in het engels, doping genoemd.

Het proces in de zonnecel

• Fotonen doen er ongeveer 8 minuten over om van de zon naar de aarde te reizen. De fotonen die de zonnecel raken zorgen ervoor dat er elektronen worden losgemaakt in beide silicium lagen. 
• Onder invloed van zonnestraling onstaat een elektron overschot in het n-type halfgeleider. 
• De losgemaakte elektronen migreren door de elektrische stroom naar het p-type halfgeleider om aldaar het tekort aan elektronen op te heffen. 
• Dit verkeer van elektronen genereert electriciteit.
• Wanneer een elektron eenmaal is losgemaakt, heeft het de neiging weer terug te vallen naar zijn oude toestand. Dit heet recombineren. De elektron wordt dan niet getransporteerd naar de andere silicium laag. Er wordt geen stroom opgewekt. Dit is zelfs in het beste halfgeleider materiaal niet helemaal te voorkomen en zorgt ervoor dat het rendement van een ideale, enkelvoudige cel niet hoger kan zijn dan ongeveer 30%.
• Wanneer er onvoldoende zonlicht is dan stokt het proces. Wanneer er meer zonnestraling wordt geabsorbeerd dan door de zonnecel kan worden omgezet wordt de zonnecel warmer. Dit vermindert het rendement.

Het stroomopwekkingsproces in een zonnecel

7 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

Breking van het licht

Zonlicht bestaat uit verschillende kleuren. Dat is zichtbaar wanneer licht wordt gebroken zoals in regenboog of een prisma.

In onderstaande afbeelding zijn de verschillende zichtbare en onzichtbare kleuren weergegeven. Elke kleur beweegt beweegt zich voort op een bepaalde golflengte (wavelength) en heeft een bepaalde stralingsintensiteit. Intensiteit kan vertaald worden als het electrisch vermogen wat uit een bepaalde kleur zonlicht kan worden omgezet.

Een zonnecel wordt meestal gemaakt van één bepaald (halfgeleider)materiaal, bijvoorbeeld silicium. Silicium is niet voor alle kleuren licht even gevoelig en een deel van het zonlicht gaat er zelfs dwars door heen. Niet al het licht wordt dus omgezet in electriciteit.

De opsplitsing van zonlicht

6 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

Rendement verhogen

Er zijn verschillende methoden om het rendement van zonnecellen te verhogen:

• Verschillende zonnecel lagen en / of laagtechnieken kunnen gestapeld worden voor een verhoogde opbrengst per oppervlakte. De kleurgevoeligheid kan bijvoorbeeld worden verbeterd door twee of drie verschillende lichtgevoelige materialen te stapelen. Men spreekt dan over een multi-junction of tandem zonnecel.
• Een andere optie is de zonnecel te belichten met geconcentreerd zonlicht onder een soort lens of met spiegels.

Opties voor rendementsverhoging van zonnecellen

5 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)

Wanneer verschillende technieken worden gecombineerd geeft dit een theoretisch maximum rendement van ongeveer 50%. Ter vergelijking: de allerbeste praktische cel van dit type heeft momenteel een rendement van meer dan 40%  Standaard zonnecellen in een zonnepaneel hebben momenteel een rendement van rond de 20%. 

Rendementsontwikkeling van zonnecellen in de tijd

2 afbeeldingen. (Klik op de afbeeldingen om deze te vergroten)