Bron: www.energy.gov
Wanneer licht op een fotovoltaïsche (PV) cel schijnt - ook wel een zonnecel genoemd - kan dat licht worden gereflecteerd, geabsorbeerd of dwars door de cel gaan. De PV-cel is samengesteld uit halfgeleidermateriaal; de "semi" betekent dat het elektriciteit beter kan geleiden dan een isolator, maar niet zo goed als een goede geleider als een metaal. Er zijn verschillende halfgeleidermaterialen die in PV-cellen worden gebruikt.
Wanneer de halfgeleider wordt blootgesteld aan licht, absorbeert hij de energie van het licht en brengt deze over naar negatief geladen deeltjes in het materiaal dat elektronen worden genoemd. Door deze extra energie kunnen de elektronen als elektrische stroom door het materiaal stromen. Deze stroom wordt onttrokken via geleidende metalen contacten - de rasterachtige lijnen op een zonnecel - en kan vervolgens worden gebruikt om uw huis en de rest van het elektriciteitsnet van stroom te voorzien.
De efficiëntie van een PV-cel is simpelweg de hoeveelheid elektrisch vermogen die uit de cel komt in vergelijking met de energie van het licht dat erop schijnt, wat aangeeft hoe effectief de cel is in het omzetten van energie van de ene vorm naar de andere. De hoeveelheid elektriciteit die door PV-cellen wordt geproduceerd, hangt af van de kenmerken (zoals intensiteit en golflengten) van het beschikbare licht en meerdere prestatiekenmerken van de cel.
Een belangrijke eigenschap van PV-halfgeleiders is de bandgap, die aangeeft welke golflengten van licht het materiaal kan absorberen en omzetten in elektrische energie. Als de bandgap van de halfgeleider overeenkomt met de golflengten van het licht dat op de PV-cel schijnt, dan kan die cel alle beschikbare energie efficiënt gebruiken.
Lees hieronder meer over de meest gebruikte halfgeleidermaterialen voor PV-cellen.
SILICIUM
Silicium is verreweg het meest gebruikte halfgeleidermateriaal in zonnecellen en vertegenwoordigt ongeveer 95% van de modules die tegenwoordig worden verkocht. Het is ook het op één na meest voorkomende materiaal op aarde (na zuurstof) en de meest voorkomende halfgeleider die wordt gebruikt in computerchips. Kristallijne siliciumcellen zijn gemaakt van siliciumatomen die met elkaar verbonden zijn om een kristalrooster te vormen. Dit rooster zorgt voor een georganiseerde structuur die de omzetting van licht in elektriciteit efficiënter maakt.
Zonnecellen gemaakt van silicium bieden momenteel een combinatie van hoog rendement, lage kosten en een lange levensduur. Van modules wordt verwacht dat ze 25 jaar of langer meegaan en na die tijd nog steeds meer dan 80% van hun oorspronkelijke vermogen produceren.
DUNNE-FILM FOTOVOLTAK
Een dunnefilmzonnecel wordt gemaakt door een of meer dunne lagen PV-materiaal aan te brengen op een ondersteunend materiaal zoals glas, plastic of metaal. Er zijn momenteel twee hoofdtypen dunne-film PV-halfgeleiders op de markt: cadmiumtelluride (CdTe) en koper-indium-galliumdiselenide (CIGS). Beide materialen kunnen direct op de voor- of achterkant van het moduleoppervlak worden aangebracht.
CdTe is het op één na meest voorkomende PV-materiaal na silicium, en CdTe-cellen kunnen worden gemaakt met behulp van goedkope productieprocessen. Hoewel dit ze een kosteneffectief alternatief maakt, is hun efficiëntie nog steeds' niet zo hoog als silicium. CIGS-cellen hebben optimale eigenschappen voor een PV-materiaal en hoge efficiëntie in het laboratorium, maar de complexiteit die gepaard gaat met het combineren van vier elementen maakt de overgang van laboratorium naar productie uitdagender. Zowel CdTe als CIGS hebben meer bescherming nodig dan silicium om langdurig gebruik buitenshuis mogelijk te maken.
PEROVSKITE FOTOVOLTAK
Perovskitesolaire cellen zijn een soort dunnefilmcellen en zijn genoemd naar hun karakteristieke kristalstructuur. Perovskietcellen zijn opgebouwd uit lagen van materialen die zijn geprint, gecoat of vacuüm gedeponeerd op een onderliggende steunlaag, bekend als desubstraat.Ze zijn doorgaans eenvoudig te monteren en kunnen een efficiëntie bereiken die vergelijkbaar is met die van kristallijn silicium. In het laboratorium is de efficiëntie van perovskietzonnecellen sneller verbeterd dan enig ander PV-materiaal, van 3% in 2009 tot meer dan 25% in 2020. Om commercieel levensvatbaar te zijn, moeten perovskiet-PV-cellen stabiel genoeg worden om 20 jaar buitenshuis te overleven, dus onderzoekers werken eraan om ze duurzamer te maken en grootschalige, goedkope productietechnieken te ontwikkelen.
BIOLOGISCHE FOTOVOLTAK
Organische PV- of OPV-cellen zijn samengesteld uit koolstofrijke (organische) verbindingen en kunnen worden aangepast om een specifieke functie van de PV-cel te versterken, zoals bandgap, transparantie of kleur. OPV-cellen zijn momenteel slechts ongeveer half zo efficiënt als cellen van kristallijn silicium en hebben een kortere levensduur, maar kunnen goedkoper zijn om in grote volumes te produceren. Ze kunnen ook worden toegepast op een verscheidenheid aan ondersteunende materialen, zoals flexibel plastic, waardoor OPV een breed scala aan toepassingen kan dienen.
QUANTUM STIPPEN
Quantumdot-zonnecellen geleiden elektriciteit door kleine deeltjes van verschillende halfgeleidermaterialen van slechts enkele nanometers breed, kwantumdots genoemd. Quantum dots bieden een nieuwe manier om halfgeleidermaterialen te verwerken, maar het is moeilijk om er een elektrische verbinding tussen te maken, dus ze zijn momenteel niet erg efficiënt. Ze zijn echter gemakkelijk om te zetten in zonnecellen. Ze kunnen op een substraat worden aangebracht met behulp van een spin-coat-methode, een spray of roll-to-roll printers zoals die worden gebruikt om kranten af te drukken.
Quantum dots zijn er in verschillende maten en hun bandgap is aanpasbaar, waardoor ze licht kunnen opvangen dat moeilijk vast te leggen is en kunnen worden gecombineerd met andere halfgeleiders, zoals perovskieten, om de prestaties van een multijunction-zonnecel te optimaliseren (meer hierover hieronder).
MULTIJUNCTIE FOTOVOLTAK
Een andere strategie om de efficiëntie van PV-cellen te verbeteren, is het in lagen aanbrengen van meerdere halfgeleiders om zonnecellen met meerdere verbindingen te maken. Deze cellen zijn in wezen stapels van verschillende halfgeleidermaterialen, in tegenstelling tot cellen met één junctie, die slechts één halfgeleider hebben. Elke laag heeft een andere bandgap, dus ze absorberen elk een ander deel van het zonnespectrum, waardoor ze meer gebruik maken van zonlicht dan cellen met één junctie. Multijunction-zonnecellen kunnen recordrendementen bereiken omdat het licht dat niet wordt geabsorbeerd door de eerste halfgeleiderlaag, wordt opgevangen door een laag eronder.
Terwijl alle zonnecellen met meer dan één bandgap multijunction-zonnecellen zijn, wordt een zonnecel met precies twee bandgaps een tandemzonnecel genoemd. Multijunction-zonnecellen die halfgeleiders uit kolommen III en V in het periodiek systeem combineren, worden multijunction III-V-zonnecellen genoemd.
Multijunction-zonnecellen hebben een efficiëntie van meer dan 45% laten zien, maar ze zijn duur en moeilijk te produceren, dus zijn ze gereserveerd voor verkenning van de ruimte. Het leger gebruikt III-V-zonnecellen in drones en onderzoekers onderzoeken andere toepassingen voor hen waarbij een hoog rendement essentieel is.
CONCENTRATIE FOTOVOLTAK
Concentratie PV, ook wel CPV genoemd, focust zonlicht op een zonnecel met behulp van een spiegel of lens. Door het zonlicht op een klein gebied te concentreren, is er minder PV-materiaal nodig. PV-materialen worden efficiënter naarmate het licht meer geconcentreerd wordt, dus de hoogste algehele efficiëntie wordt behaald met CPV-cellen en -modules. Er zijn echter duurdere materialen, fabricagetechnieken en het vermogen om de beweging van de zon te volgen vereist, dus het aantonen van het noodzakelijke kostenvoordeel ten opzichte van de huidige siliciummodules van' is een uitdaging geworden.
