Hoe werken zonnepanelen

Zonnecellen zetten zonlicht om in een electrische stroom maar er wordt geen energie opgeslagen. Voor het begrip zou je een zonnecel kunnen beschouwen als een batterij met een spanning van 0,5-0,7 volt zolang er licht op valt. (Feitelijk is een zonnecel geen spanningsbron maar een stroombron).

Zonnecellen produceren een variabele stroom die afhankelijk is van de grootte van de cel en de hoeveelheid zonnestraling die direct op de zonnecel valt.

Het photovoltaic (PV) genereren van zonnevermogen begint met een zonnecel. Photovoltaic (PV) cellen zijn gemaakt van halfgeleidermateriaal in de vorm van een wafer (een zeer dunne schijf). Voor zonnecellen wordt daarvoor gebruikt gemaakt van zeer zuiver siliciumoxide waar bewust verontreinigingen in aangebracht zijn. Deze verontreinigingen resulteren in een overschot aan ‘electronen’ (N-type) of ‘gaten’ (P-type) in de basisstructuur.

Om dit goed te begrijpen moeten we de atoomstructuur van het silicium onderzoeken.

Van het basismateriaal siliciumoxide wordt een monokristallijne structuur gemaakt. We kunnen zo’n mooie kristalstructuur maken omdat een siliciumatoom 4 elektronen in de buitenste schil heeft. Atomen streven naar de edelgas-configuratie (8 electronen in de buitenste schil) en door de atomen van silicium in een kristal-structuur te brengen lenen de atomen steeds een electron van het naastgelegen atoom waardoor het lijkt alsof ze elk 8 electronen in de buitenste schil hebben.

Als er licht op deze siliciumstructuur straalt worden er electronen losgeslagen uit de structuur en worden dan zgn. vrije electronen omdat ze niet meer vastzitten in de structuur. Dit is niet genoeg om stroom aan het silicium te onttrekken, maar we zien dat electronen mobiel of vrij worden onder invloed van zonlicht. Om de electronen richting te kunnen geven en stroom te creëren hebben we een plus- en minaansluiting nodig.

Zonnecel N-type halfgeleider

Om stroom te kunnen geleiden is het nodig om het silicium te verontreinigen. Wat we gaan doen is atomen uit de structuur halen en vervangen door een ander atoom, bijv. fosfor (Phosphorus = P). Dit is een atoom met 5 electronen in de buitenste schil (silicum heeft er 4 zoals we inmiddels weten).

Als we zo’n atoom in de structuur van ons basissilicium plaatsen dan zullen er zich 4 electronen binden met de structuur zoals in het silicium, maar blijft er een electron over dat niet in de structuur past. Dit electron gaat zweven door het materiaal. Omdat een electron negatief geladen is noemen we dit N-type silicium. Als er nu zonlicht op het materiaal valt zullen er electronen loskomen van een atoom, maar die worden weer snel aangevuld door een vrij electron, maar er blijft wel weer een vrij electron over.

Zonnecel P-type halfgeleider

I.p.v. een atoom met 5 electronen in de buitenste schil kunnen we ook de basismateriaal verontreinigen met een atoom dat maar 3 electronen in de buitenste schil heeft. Hierdoor zal op de plaats waar dit electron ontbreekt een soort gat in de structuur ontstaan. Een voorbeeld van een stof met zo’n atoom is aluminium (Al). Als er een gat is, zal een naburig electron dat proberen op te vullen en dat zal zich steeds weer herhalen. Op die manier lijkt het alsof dit gat zich vrij verplaatst door het materiaal. Omdat je het ontbreken van een min (electron) als een plus kunt zien wordt dit type materiaal P-type silicum genoemd.

Voor beide typen silicium geldt dat ze electrisch neutraal zijn. Er is een electron over of tekort in de kristal structuur, maar er zijn evenveel positieve ladingen (protonen) als negatieve ladingen (electronen) in het materiaal.

Samenstelling N-type en P-type silicium

Als we de 2 type silicium samenbrengen, dus tegen elkaar zetten zullen er een aantal electronen vanuit het N-type materiaal de grens (junction) oversteken en daar de gaten in het P-type materiaal opvullen. Deze beweging van electronen over de grens (junction) noemen we diffusie. Het effect is nu dat het N-type materiaal positief wordt (er gaan electronen weg) en het P-type materiaal negatief (er komen electronen bij). Er ontstaat dus een spanning over het gebied waar de electronen vandaan komen en waar vervolgens de electronen de gaten hebben opgevuld. Dit diffusieproces gaat net zo lang door tot de junction zover gevuld is dat het de gaten en electronen niet meer lukt om elkaar aan te trekken. We hebben nu een heel klein batterijtje, met een plus en een min, maar zo gauw als we er iets op aansluiten zullen de electronen via de aansluiting naar de andere kant lopen en stopt het proces.

Als we zonlicht op de PN-junction loslaten zullen er meer vrije electronen in het N-gebied en meer vrije gaten in het P-gebied ontstaan. Als gevolg daarvan zal de laag in het midden steeds dikker worden tot er weer een nieuw evenwicht ontstaat.

De volgende stap is het aansluiten van draden. Zoals we in voorgaand plaatje zagen is het middengebied in evenwicht, maar als we buitenlangs een verbinding maken vinden de electronen een nieuwe weg om naar de andere kant te komen en te combineren. En dat is wat we zochten. Op deze manier gaan de electronen die vrijkomen door het zonlicht door de verbinding lopen en kunnen wij gebruik maken van de (electronen)-stroom.

Constructie van een zonnecel