Zonnecellen

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Zonnecellen
Zonnecellen3.jpg
Eigenschappen
Categorie: Componenten
Originele auteur: Rosan Harmens en Joska Sesink
Jaar: 2011
Wikipedia link: Solar cell

Inhoud

Beschrijving

Werking

Er zijn twee soorten zonnecellen, de fotovoltaïsche cel, gebruikt in zonnepanelen, en de foto-elektrochemische cel, deze wordt gebruik in foto-elektrochemische generatoren.

Fotovoltaïsche cel

Dit type zonnecel wordt het meest toegepast, voornamelijk voor commerciële doeleinden, deze cel wordt ook wel PV genoemd. De cel bevat een stuk halfgeleidend materiaal, meestal silicium. Een silicium atoom heeft vier elektronen in de buitenste schil, deze zorgen voor stevigheid in de kristalstructuur maar raken ook gemakkelijk los als er zonlicht op valt. Zuiver silicium is geen goede geleider, dus daarom wordt er aan de bovenkant een laagje fosfor toegevoegd en aan de onderkant een laagje borium. Fosfor heeft een elektron meer dan silicium die niet nodig is voor de binding in de kristalstructuur en zorgt ervoor dat silicium een betere elektriciteits geleiding krijgt. Borium heeft een elektron minder dan silicium waardoor gaten in de kristalstructuur ontstaan, op deze manier kunnen de elektronen makkelijker door het materiaal schuiven, dit resulteert dus ook in een betere geleiding (elektronen springen over van atoom op atoom).
Wanneer deze lagen worden toegevoegd zullen de elektronen van fosfor zich binden aan de gaten die vallen door het borium. Op deze manier wordt de bovenkant van de plaat positief geladen en de onderkant van de plaat negatief geladen. De stroom kan maar in één richting door het materiaal stromen.
Er gaat pas een stroom lopen doordat er licht op valt. Door het zonlicht worden er elektronen losgestoten en deze bewegen zich door het materiaal. De fotonen die invallen moeten dus de juiste hoeveelheid energie bevatten, deze energie is afhankelijk van de golflengte. Doordat er een elektrisch veld over de halfgeleider staat en de ene plaat positief en de andere plaat negatief is geladen zullen de elektronen altijd dezelfde richting op bewegen en zal er dus een stroom gaan lopen.

Kristallijn en amorf

Binnen de fotovoltaïsche cel is er weer sprake van amorfe en kristallijne cellen. De kristallijne cellen zijn de cellen die het meest voorkomen, de welbekende cellen die worden gebruikt voor zonnepanelen. Deze zijn duurder dan de amorfe cellen maar hebben wel een hoger rendement, namelijk 15 procent. De kristallijne cellen bevatten sillicium kristallen en is daarom een vast materiaal. Het is erg arbeidsintensief om deze cellen te maken omdat veel van het werk handmatig wordt gedaan.
De amorfe zonnecellen bevatten geen sillicium kristallen maar is vloeibaar en wordt op een glasplaat gespoten. Dit is een goedkopere variant van zonnecellen, maar het rendement is dan ook lager, namelijk 9 procent. Deze cellen zijn flexibel en kan dus op vele oppervlakten worden gebruikt. Bij Thing Film zonnecellen wordt ook vaan gebruik gemaakt van amorfe cellen. Toch wordt er vaak gekozen voor de kristallijne cellen. Ookal zijn deze duurder, doordat het rendement hoger is wordt dit vaak snel terugverdient.

Foto-eletrochemische cel

Een ander soort zonnecel is de foto-elektrochemische cel, ook wel PEC genoemd. Deze combineert de eigenschappen van een PV-cel en een batterij en is op de manier in staat de energie chemisch op te slaan. Dit is de enige zonnecel die energie op kan slaan. Bij fotovoltaïsche cellen moet de energie gelijk worden gebruikt omdat het anders verloren gaat.

Nieuwe ontwikkelingen

Organische zonnecellen

Bij de ontwikkeling van organische cellen wordt gezocht naar een ander materiaal om te gebruiken in plaats van sillicium aangezien dit erg duur is om in zo’n zuivere vorm te krijgen. Er wordt gebruik gemaakt van bepaalde polymeren, kunststoffen dus, en deze worden licht verontreinigd met chemicaliën. Op deze manier wordt deze stof geleidend. Deze organische zonnecellen zijn erg flexibel en kunnen op vrijwel elk oppervlak worden aangebracht. Daarnaast is het materiaal erg goedkoop, zeker 10 tot 20 keer. Het rendement is wel veel lager, maar 3 tot 5 %.
Het is nog wel steeds in ontwikkeling. De polymeren kunnen namelijk niet goed tegen UV, hiervoor moet een filter worden aangebracht. Ook zijn de verschillende onderdelen gevoelig voor oxidatie en hiervoor is nog geen oplossing gevonden.

Zonnecellen op papier

Zonnecellen die op papier kunnen worden geprint. Dit is een hele nieuwe productiemethode die pas halverwege dit jaar (2011) is ontwikkeld door onderzoekers van het Amerikaanse MIT. Het printen wordt gedaan door middel van een speciale 3D printer. Dit is een ingewikkeld proces. Er moeten vijf verschillende lagen aangebracht worden om de verschillende cellen te vormen. Deze lagen worden ingedampt bij hoge temperatuur zodat de ruwheid van het papier niet uit maakt. Dit was bij eerdere ontwikkelingen op dit gebied wel het geval. Eén van deze lagen bestaat uit een dun laagje organisch geleidend materiaal dat zonlicht omzet in elektriciteit. Verder moet de printer in een vacuümkamer staan.
Zelfs na het papier met de cel 1000 keer te hebben dubbelgevouwen werkt deze nog prima. Helaas is de efficientie van de cellen heel laag, slechts 1%. Wel zeggen wetenschappers dat ze dit kunnen verhogen en dat er veel toekomst in zit. Het productieproces is erg goedkoop en op commerciële schaal toe te passen.
De mogelijkheden zijn eindeloos volgens de onderzoekers. In de toekomst kunnen huizen bijvoorbeeld worden ingepakt met dit materiaal, op deze manier ontstaat een soort energie centrale. Ook zou het bijvoorbeeld op jassen of op de bovenkant van je laptop kunnen worden gemaakt. Kortom, genoeg mogelijkheden.
Het was lastig om informatie te vinden over de aansluiting van deze zonnecellen, vandaar de links hieronder. Het ziet er naar uit dat er gewoon contactjes over de zonnecel worden gezet, op die manier is te zien dat er wel degelijk stroom op staat. Hoe deze zonnecellen in de praktijk worden geïnstalleerd wordt niet helemaal duidelijk, maar de ontwikkeling van de cel is ook nog volop bezig, dus misschien dat hier later duidelijkheid over ontstaat.

Eigenschappen

Fotovoltaïsche zonnecellen wekken elektriciteit op, maar deze is DC ofwel gelijkstroom. Deze zal eerst naar converter worden gestuurd die de stroom omzet in AC, wisselstroom. Met deze stroom kunnen de apparaten in je huis worden voorzien van elektriciteit. Hoe meer licht er op het paneel valt, hoe meer energie wordt opgewekt.
De hoeveelheid energie die wordt opgewekt is niet altijd hetzelfde. Op dagen dat de zon dichter bij de aarde staat en feller schijnt zal een zonnepaneel meer energie opwekken dan op dagen dat het bewolkt is. De energie die je opwekt en niet gebruikt kan worden opgenomen door het net. Op deze manier gaat er geen energie verloren en je krijgt ook nog eens geld voor de energie die je levert.
Samengevat heeft de kristallijne fotovoltaïsche cel het hoogste rendement, namelijk 15%. De amorfe variant heeft een rendement van 9%. Nieuwe varianten zonnecellen hebben nog een erg laag rendement, maar wel een groot toekomstperspectief.
Het rendement van een zonnecel kan worden vergroot door meerdere lagen materiaal over elkaar heen te gebruiken. Op deze manier werkt de zonnecel als een soort zeef. Zo wordt er optimaler gebruik gemaakt van de verschillende golflengtes die er in licht te vinden zijn. Het is namelijk zo dat de golflengte van het licht gelijk staat aan de energie ervan. Er kan dan dus gebruik worden gemaakt van fotonen die meer energie bevatten. Panelen die voor ruimtevaart worden gebruikt kunnen wel een rendement van 40% procent bereiken. Dit komt doordat het licht ook wordt gereflecteerd in spiegels en dergelijke om de lichtintensiteit te verhogen en dezelfde golflengte te proberen te bereiken.
Zonnecellen zijn een grote investering, de fabricage is erg duur en arbeidsintensief. Nieuwe ontwikkelingen proberen hier verandering in te brengen, bijvoorbeeld de zonnecel die op papier wordt geprint. Helaas zijn deze ontwikkelingen nog niet ver genoeg om het op grote schaal toe te passen.
Normale fotovoltaïsche zonnecellen worden gemaakt door middel van het gebruik van sillicium. Dit is erg belastend voor het milieu en daarom is het erg belangrijk dat er onderzoek wordt gedaan naar alternatieven. Organische zonnecellen en zonnecellen op papier bieden deze alternatieven maar zijn tot op heden niet ver genoeg ontwikkeld om op grote schaal in te kunnen worden gezet.

Leveringsvormen

Zonnecellen zijn in verschillende maten te krijgen met verschillende voltages. Er zijn losse kleine cellen te verkrijgen, deze kunnen vooral gebruikt worden voor proefjes. Deze zijn al te verkrijgen in afmetingen vanaf enkele tientallen millimeters lang en breed. Als je er voor kiest zonnecellen te bestellen worden deze meestal ook nog eens geplaatst en kant en klaar aangeleverd. Op de afbeelding rechtsbovenaan de pagina is een zonnecel te zien die wordt geleverd in de afmetingen 66 mm x 96 mm.
Zonnepanelen hebben ongeveer een afmeting van 1200x500x30mm. Hiervan zijn verschillende soorten te verkrijgen:

Monokristallijne zonnepanelen:
De zonnecellen in een monokristallijn zonnepaneel bestaan in feite uit één kristal. Deze panelen zijn duur, maar hebben een hoger rendement per oppervlakte. Om het maximale uit de beschikbare ruimte te halen is het goed om te overwegen om dan te kiezen voor monokristallijn.
Polykristallijne zonnepanelen:
De cellen in een polykristallijn paneel bestaan uit meerdere grove kristallen. Dergelijke panelen zijn relatief goedkoop, maar bieden minder rendement per oppervlakte. Als er voldoende ruimte genoeg is, is dit de meest gangbare optie.
Amorfe zonnepanelen:
Zonnepanelen van amorf silicium worden veelal gebruikt in de dunne-film zonnepanelen. Omdat amorfe zonnepanelen geen kristallen bevatten, zijn ze zeer buigzaam. Ze zijn tevens zeer goedkoop, al is het rendement een stuk lager dan de overige materialen. Er zijn ook producten te koop waar zonnecellen in zijn verwerkt. Deze zonnecellen zijn dat verwerkt in de oppervlakte van het product en zorgen voor (een deel van) de benodigde energie.

Be- en verwerkingstechnieken

Recentelijk is er een nieuwe manier ontdekt waarop een industrieel ontwerper kan onderzoeken hoe de zonnecellen efficiënt in een product geplaatst kunnen worden. Dit gebeurt met bepaalde software die 3D om kan zetten naar 2D, een soort modelleer programma. Nu dit mogelijk is kan een industrieel ontwerper (of architect) makkelijker kijken naar de energie opbrengst van zonnecellen. Door deze vernieuwing in de techniek zullen industrieel ontwerpers er misschien eerder aan denken en zich er eerder toe kunnen zetten zonnecellen in hun producten te verwerken.
Reich’s methode maakt gebruik van ray tracing, een techniek die al verwerkt is in de 3D-software van ontwerpers. De Computer Aided Design (CAD)-programma’s kunnen een 3D-ontwerp van alle kanten laten zien door de 3D-wereld telkens ‘te vertalen’ naar een 2D-beeld. Voor die vertaalslag wordt vaak ray tracing gebruikt. De exacte naam van het programma kan helaas niet gevonden worden.

Toepassingen

Zonnecellen worden al in allerlei producten gebruikt (gedeeltelijke) energiebron. Van lampen tot mp4 spelers en opladers voor de I-Phone en zelfs voertuigen zijn al aan te drijven met behulp van zonnecellen. Ook wordt er nog veel onderzoek gedaan naar hoe een zonnecel nog dunner, flexibeler en efficienter gemaakt kan worden. Waarschijnlijk, na veel onderzoek naar bijvoorbeeld hoe de zonnecellen precies geplaatst moeten worden, kan er nog veel meer gebruik worden gemaakt van de alternatieve energie bron in de vorm van zonnecellen.
De toepassingen die tegenwoordig op de markt zijn, zijn vooral bij producten die niet erg veel stroom verbruiken en maar weinig voltage nodig hebben. De auto’s die op zonnecellen rijden bevatten super dure zonnecellen. De efficientie die ze daarmee bereiken moet natuurlijk heel groot zijn, wil er een auto op kunnen voortbewegen. Maar de techniek die hier achter zit is te duur om in consumentenproducten te verwerken, want de producten zouden hierdoor ook een stuk duurder worden.
Een van de eerste toepassingen van zonnecellen was in de ruimtevaart. Hierin wordt de energie van zonnecellen gebruikt naast de energie van normale brandstof. In de ruimte is het mogeljik om een 4x zo hoog rendement te behalen doordat de lichtintensiteit veel hoger ligt dan hier op aarde. Alle energie die het ruimtevaartuig niet gebruikt kan worden doorgezonden naar de aarde en daar worden opgeslagen.

Resultaat van een bacheloropdracht met 480 zonnecellen

In een van de bacheloropdrachten van vorig jaar is ook een erg leuk product ontworpen met zonnecellen, zie het figuur hiernaast. Hierin zijn 480 foltovoltaische zonnecellen gebruikt. Maar lang niet allemaal zijn daadwerkelijk aangesloten omdat deze een zeer minime hoeveelheid energie opbrachten, doordat de plaatsing niet handig was of omdat ze erg klein waren. Ook is de hoeveelheid energie die de zonnecellen samen opbrachten nog niet genoeg om de LEDlamp die er op aan was gesloten daadwerkelijk genoeg energie te geven, daarom moet het ontwerp alsnog worden aangesloten op het lichtnet. Het ontwerp werkt dus nog niet optimaal maar het is zeker een mooi voorbeeld van design gecombineerd met duurzame oplossingen.
Een ander vrij bekende toepassing van zonnecellen wordt gedaan door het Solar Team Twente. Dit team heeft een voertuig gebruikt waar 6 m2 hoog efficiënte kristallijn Silicium zonnecellen in zijn gebruikt. Deze zonnecellen halen door de goede afwerking een rendement van 20%.
Met dit voertuig wordt gereden door Australië en in dit jaar, 2011, zijn ze als 5e geeindigd. Dit is de beste prestatie van het Solar Team Twente tot nu toe.
Naast deze grotere projecten zijn er al een hele hoop producten te vinden waarin zonnecellen in zijn verwerkt. Dit gaat van acculaders tot tuinsproeiers en via bandenspanningmeters naar sleutelgatverlichting.
Er zit een hele hoop toekomst in dit soort producten, omdat het een schone manier van energie opwekken is en er nog veel te ontwikkelen en onderzoeken valt op het gebied van rendement en levensduur.

Voordelen

Zonnecellen zijn een alternatieve energiebron. Omdat veel oliebronnen uitgeput beginnen te raken, is het belangrijk om te zoeken naar andere manieren van energie opwekken. Zonne-energie is hier een belangrijke en interessante manier van. Wanneer deze techniek verder wordt onwikkeld zal deze bron een groot deel van de energievoorziening kunnen opvangen. Daarnaast ben je met zonnepanelen op je dak, onafhankelijk van prijzen van energiemaatschappijen en het humeur van oliewinnende landen. Ook is door de nog steeds lopende onderzoeken en verbeteringen het gebruik van zonnecellen steeds breder toepasbaar en zit er een hoop toekomst in het gebruik van zonnecellen. Er bespaard worden op de energie rekening.

Nadelen

Een nadeel aan het plaatsen van zonnepanelen is, is dat het een grote inverstering is, ondanks dat het binnen ongeveer 7 tot 15 jaar wordt terugverdiend. De levensduur is daarentegen nu nog ongeveer 30 jaar dus er moet al redelijk snel na het terugverdienen van de investering al weer een nieuwe investering worden gedaan. Daarnaast is de zonne-energie opslaan natuurlijk goed voor het milieu, maar zoals de productie nu is, is de productie zelf nog erg belastend voor het milieu. Er wordt namelijk vrij veel energie gebruikt en er worden gassen uitgestoten. Ook bij de productie van de accu’s die de energie opslaan is veel energie nodig en het verwerken van zonnepanelen die als afval worden gebracht moet nog een aparte manier gedaan worden. Daarnaast is het rendement dan zonnecellen nu omzetten nog erg laag. Gelukkig wordt er nog veel onderzoek naar gedaan. Het maken van zonnecellen en zonnepanelen is tot nu toe wel erg arbeidsintensief waardoor het aanschaffen of plaatsen van dit soort dingen ook vrij duur is.

Milieuaspecten

Zonne-energie is een schone manier van energievoorziening. Het is een alternatieve energie bron en die zijn erg hard nodig in de toekomst. De energie die wordt gebruikt bij het maken van zo’n zonnecel wordt ongeveer 5x terugverdiend in de levenscyclus. Dit is in Nederland, bij landen dichter bij de evenaar ligt dit ongeveer 2x zo hoog, dus op een terugverdien factor van zo’n 10x. Het silicium dat in veel zonnecellen gebruikt wordt is recyclebaar maar ook hier moet nog veel onderzoek naar worden gedaan. Dit komt onder andere doordat de levensduur van zo’n cel vrij lang is en de ontwikkeling en het onderzoek naar deze cellen nog niet zo extreem lang loopt. Er wordt met de ontwikkeling erg gestreefd naar een hoger rendement en een langere levensduur van de zonnecellen. Maar naast de goede milieuaspecten hebben toch ook zonnecellen, vooral bij de productie, een negatieve invloed op het milieu. Zwaar giftige arseen maar ook zoutzuur, cadmium en fosfor worden gebruikt bij productie zonnecellen. Er wordt nog veel onderzocht hoe dit op een andere manier zou kunnen of met andere materialen, maar tot nu toe is toch de productie wel vrij milieubelastend.

Leveranciers en kenniscentra

Erg veel verschillende leveranciers van zonnepanelen, ook per provincie verschillend. In Enschede bijvoorbeeld SunCatch Solarsystems en SEPA Energy BV. Op internet is er heel veel informatie te vinden op talloze sites waar wordt gepraat over zonnecellen. Vooral over zonnepanelen. Bijvoorbeeld Energyfuture of Pyrosolar of Zonnepanelen-info en nog vele andere.

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen