Zonnecel
Enkele zonnecel.
Een zonnecel is een elektrische cel die lichtenergie omzet in bruikbare elektrische energie.
Er zijn twee soorten zonnecellen. De bekendste is de geheel uit vaste stof bestaande fotovoltaïsche cel, die met vele tegelijk wordt gemonteerd in zonnepanelen. De tweede is de foto-elektrochemische cel, welke terug te vinden is in foto-elektrochemische generatoren.
Elektronische voeg
Beide soorten cellen hebben gemeen dat zij een junction bezitten, dit is een voeg (of grensvlak) tussen twee materialen met een verschillende soort elektrische geleiding. In een vaste fotovoltaïsche cel is deze voeg een scheidingsvlak tussen een p-type en een n-type halfgeleider. In een natte foto-elektrochemische cel is het een scheidingvlak tussen een halfgeleider en een ionengeleider, meestal een vloeibare elektrolyt.
De scheiding van ontstane ladingen op de pn-overgang.
Bij blootstelling van een halfgeleider aan licht ontstaan extra ladingsdragers omdat een elektron uit de volle valentieband naar de lege geleidingsband gepromoveerd wordt met behulp van de energie van een ingevangen foton: E=hν of anders geschreven E=hf, waarbij E de foton is (= energie van een lichtpartikel), h de constante van Planck en ν of f de frequentie van het licht. Dit produceert een gat in de valentieband h+ en een elektron e- in de geleidingsband:
hν ⇒ h+ + e-
Dit proces slaat (een deel van) de energie van het foton op. Zonder een voeg is deze opslag van korte duur omdat de twee ladingsdragers elkaar weer snel vernietigen. Daarbij komt de energie als warmte vrij:
h+ + e- ⇒ warmte
Volgens de wetten van de thermodynamica is dat een groot verlies omdat warmte altijd maar voor een beperkt deel weer in arbeid kan worden omgezet. Het is dus zaak om deze wederzijdse vernietiging zo veel mogelijk te beperken en de opgeslagen energie op een andere manier te benutten.
In de buurt van de voeg kunnen de ontstane ladingdragers ruimtelijk van elkaar gescheiden raken en blijft het vernietigingsproces achterwege. Daarmee komt de opgeslagen energie als elektrische arbeid beschikbaar in plaats van als warmte. In het p-type deel liggen de energieën van de banden hoger dan in het n-type gedeelte. Het gevolg is dat ontstane elektronen naar het n-gedeelte zullen gaan en de gaten -zoals een luchtbelletje in een buis vol water- juist de andere kant op. Zo hoopt zich aan de ene zijde een positieve lading op en een negatieve aan de andere kant. Als de beide zijden uitwendig met een metaaldraad verbonden worden gaat er een stroom lopen. De zonnecel is dus een stroombron geworden.
Geschiedenis
Het 'fotovoltaïsch effect' werd voor het eerst waargenomen in 1839 door de Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel. Het duurde echter tot 1883 voordat de Amerikaanse wetenschapper Charles Fritts dit fenomeen benutte voor het bouwen van de eerste zonnecel. Fritts' zonnecel was opgebouwd uit een halfgeleidend seleen gecoat met een extreem dun, transparant laagje goud. Zijn zonnecel kon slechts 1 procent van het licht omzetten in stroom. In plaats van energieopwekking zoals Fritts zelf voor ogen had vond zijn inefficiënte zonnecel voornamelijk toepassing in de fotografie als belichtingsmeter.
Aansluitend maakte de Russisch natuurkundige Aleksandr Stoletov de eerste zonnecel gebaseerd op het principe van het foto-elektrisch effect (eerder in 1885 ontdekt door Heinrich Hertz) waarbij licht direct omgezet wordt in elektriciteit. Het was Albert Einstein die pas in 1905 dit effect wist te verklaren, waarvoor hij in 1921 met de Nobelprijs voor de Natuurkunde werd onderscheiden.
De moderne halfgeleider zonnecel op basis van silicium werd in 1941 gepatenteerd door de Amerikaan Russell Ohl, destijds werkzaam bij Bell Labs.[3] In mei 1939 had hij bij toeval ontdekt dat er spontaan een elektrische stroom werd opgewekt in een siliciumkristal wanneer hij dit bescheen met een bureaulamp. De oorzaak bleek een barst in het kristal te zijn, later de pn-overgang genoemd. Zijn pionierswerk op dit gebied zou uiteindelijk leiden tot de uitvinding van de transistor.
Voortbouwend op het werk van Ohl werd in 1954 een efficiëntere zonnecel ontwikkeld bij Bell Labs door Gerald Pearson, Calvin Fuller en Daryl Chapin. Door silicium te doteren met arseen bouwden ze een zonnecel die een rendement haalde van 4½ tot 6 procent.
Vanwege de hoge productiekosten werden zonnecellen - in eerste instantie - alleen voor speciale toepassingen gebruikt, en dan voornamelijk in de ruimtevaart. Zo was de Amerikaanse satelliet Vanguard I in 1958 de eerste die radiosignalen vanuit de ruimte uitzond met een zonnecel van 1 watt. Pas na de oliecrisis werden in de jaren 1980, op basis van galliumarsenide (GaAs), zonnecellen ontworpen met een rendement van meer dan 20 procent.
Zonnecel met record-rendement van 44,7%
Nieuwe ontwikkeling speciaal geschikt voor CPV-techniek
Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor zonne-energiesystemen (ISE), Soitec, CEA-Leti en het Helmholtz Centrum Berlijn hebben een zonnecel ontwikkeld met een record-rendement van 44.7%.
Deze ontwikkeling betekent een belangrijke stap in de richting van goedkopere omzetting van zonne-energie in elektriciteit. De nieuwe zonnecel is met name bedoeld voor toepassing in CPV-systemen (CPV = Concentrating Photovoltaic) waarbij het zonlicht met behulp van optische systemen op de cellen wordt geconcentreerd. Deze zonnecollector-arrays, die met behulp van een motorvolgsysteem op de zon gericht blijven, worden veel toegepast in landen waar de zon overvloedig schijnt.
De nieuwe zonnecel is opgebouwd uit vier "sub-cellen" die gevoelig zijn voor verschillende gedeelten van het zonlichtspectrum. Hierdoor kan vrijwel het gehele spectrum van infrarood tot ultraviolet in elektriciteit worden omgezet. Deze zogenaamde III-V multi junction cellen werden als eerste toegepast in de ruimtevaart. Bij de nieuwe cel wordt gebruik gemaakt van "wafer bonding", een technologie waarbij verschillende halfgeleiderkristallen met hoge optische kwaliteit aan elkaar kunnen worden vastgemaakt.
Zonnepanelen presteren beter in 3D-opstelling
Innovatieve plaatsing levert tot 20 keer meer energie bij gelijkblijvend grondoppervlak
Een onderzoeksteam van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) heeft een alternatief bedacht voor de gebruikelijke plaatsing van zonnepanelen in platte vlakken op daken van huizen en andere structuren. Met de voorgestelde 3D-opbouw blijkt de energie-opbrengst in praktijktests tussen de 2 en 20 keer meer te bedragen dan bij een 2D-opstelling van de panelen. De panelen leveren in de nieuwe opstelling in de loop van de dag een constantere hoeveelheid energie. Ook in de verschillende seizoenen en bij schaduw van overtrekkende wolken blijft de energieafgifte zodanig constant dat een betere integratie in het elektriciteitsnet mogelijk wordt.
De onderzoekers ontwikkelden algoritmes om een groot aantal verschillend gevormde opstellingen te simuleren, die vervolgens met analytische software onder verschillende (weers)omstandigheden werden getest. Naar aanleiding van de testresultaten bouwden zij een aantal testopstellingen op het dak van een van de MIT-laboratoria. Uit de praktijktest bleek een aanzienlijke toename van de energieopbrengst ten opzichte van een conventionele opstelling van de panelen, met name doordat ook bij laagstaande zon nog veel licht in elektriciteit wordt omgezet.
William Yuan.
12-jarige ontwikkelt zeer efficiënte zonnecel
De twaalfjarige William Yuan uit Beaverton, Oregon in de Verenigde Staten heeft een nieuw soort zonnecel ontwikkeld. Aangespoord door zijn docent begon hij aan zijn project om een zeer efficiënte 3D-zonnecel voor zichtbaar en UV-licht te creëren. Een van de bijzondere eigenschappen is dat het licht meerdere keren interactie heeft met de zonnecel.
Nanobuisjes
William ontwierp koolstof nanobuisjes om de elektronbeweging te reguleren. Hiermee verdubbelt de omzetting van licht naar elektriciteit. William ontwikkelde ook een model voor een zonnetoren en een computerprogramma om dit model te optimaliseren. Aanvankelijk geloofde William zijn eigen berekeningen niet. Het ontwerp absorbeert vijfhonderd keer zoveel licht als commercieel verkrijgbare zonnepanelen en negen keer zoveel als andere experimentele 3D-zonnepanelen.
Recordrendement zonnepanelen met waterstof
Efficiëntere elektriciteitsopwekking met hybride zonnecollector die waterstofgas produceert
Wetenschapper Nico Hotz van de Duke University heeft een nieuw hybride zonnecollectorsysteem bedacht waarmee zonlicht efficiënter in elektriciteit kan worden omgezet dan met de gebruikelijke fotovoltaïsche zonnepanelen. In het nieuwe systeem wordt zonlicht door zonnecollectoren omgezet in waterstofgas dat vervolgens door brandstofcellen wordt omgezet in elektriciteit. Uit de analyse van Hotz blijkt dat het nieuwe systeem een energierendement heeft van 28,5% in de zomer en 18,5% in de winter, terwijl dat voor conventionele zonnepanelen respectievelijk 15% en 5% is.
De basis van het systeem wordt gevormd door een zonnecollector die bestaat uit koperen leidingen die zijn bedekt met een laagje aluminium en aluminiumoxide, en die gedeeltelijk zijn gevuld met katalytische nanodeeltjes. Door deze leidingen stroomt een mengsel van water en methanol. De leidingen bevinden zich in een luchtledige ruimte waardoor 95% van het zonlicht zonder omgevingsverlies wordt geabsorbeerd. De temperatuur stijgt dan tot circa 200°C waarbij waterstofgas wordt gevormd. Dit gas kan vervolgens direct in een brandstofcel worden gebruikt om elektriciteit op te wekken of worden gecomprimeerd en in een tank opgeslagen voor later gebruik.
Op de Duke University wordt op dit moment een prototype van de nieuwe installatie gebouwd.