Fotovoltaïsche cel
Van Wikipedia
Een fotovoltaïsche cel ook wel PV-cel genoemd is het bekendste en meest toegepaste type zonnecel.
Het is een stuk halfgeleidend materiaal dat een scheidingsvlak tussen p-type en n-type doping bevat. Wanneer het blootgesteld wordt aan elektromagnetische straling (licht van de zon) worden er ladingsdragers van de valentieband naar de geleidingsband gepromoveerd. Daardoor ontstaan elektronen in de laatste en gaten in de eerste. Normaal gesproken zouden deze ladingsdragers weer snel elkaar vernietigen, maar door het scheidingsvlak raken zij ruimtelijk van elkaar gescheiden en zo ontstaat er een bruikbare spanning over de cel.
Om praktisch nut van deze cellen te hebben, worden deze meestal in een zonnepaneel gemonteerd dat dan de naam PV-paneel krijgt.
Inhoud |
[bewerk] Ruimtevaart
De eerste PV-cellen werden in de jaren 1950 ontwikkeld omdat men in de ruimte een energiebron wilde hebben. Men maakte daarbij handig gebruikt van het feit dat er voor de elektronica -destijds de transistor- een op het groeien van éénkristallen van silicium gebaseerde technologie ontstaan was. Er viel vrij eenvoudig door doping van dit bijzonder zuivere silicium (typisch 1 vreemd atoom per 1013) een zonnecel te maken. Het probleem was dat de opbrengst maar een paar procent van de opvallende zonne-energie was en dat er in de ruimte al snel schade ontstond door het hoge stralingspeil.
Men keek ook voorbij aan het feit dat in het produceren van de cel wel erg veel energie gestopt moest worden. Je moest de cel wel erg lang gebruiken om die er weer uit te krijgen, maar voor de ruimtevaart was dat geen probleem Er werd ook voorbij gekeken aan het feit dat silicium een indirecte bandgap heeft en dat beperkt de mogelijke opbrengst danig. Daar stond tegenover dat silicium een van de weinige halfgeleiders was waar men heel veel van wist. De ontwikkeling van die kennis had veel tijd en geld gekost.
[bewerk] Aardse toepassingen
Ook op aarde worden zonnecellen steeds meer toegepast, vooral op plaatsen waar een stopcontact niet bereikbaar is. Ze zijn inmiddels een stuk verbeterd en leveren meer opbrengst op. Sinds de eerste oliecrisis van de jaren '70 is er gezocht naar mogelijkheden om op veel ruimere schaal energie mee te winnen. Begin jaren '80 is dat onderzoek weer goeddeels op een laag pitje gezet door allerlei bezuinigingen, maar na de stijging van de olieprijzen in de millenniumjaren is er weer meer belangstelling voor deze technologie.
Het was al rond 1980 duidelijk dat, wil deze technologie werkelijk een concurrent worden voor andere technologieën, de cellen vervaardigd zullen moeten worden van iets anders dan een éénkristal. Op zich is er geen fundamentele reden waarom dit niet zou kunnen. De uiterst hoge zuiverheid en het éénkristallijne karakter is op zich niet nodig voor een zonnecel.
Onderzoek concentreert zich daarom op een aantal aspecten:
- andere materialen (liefst met een directe bandgap)
- niet-kristallijne of polykristallijne halfgeleiders
- goedkopere productiemethoden (zowel naar geld als naar energie)
- cellen die meer dan één bandgap hebben
Het is bijvoorbeeld mogelijk gebleken halfgeleiders als CuInSe2 in dunne lagen op te dampen en daarmee vrij hoge rendementen te behalen (17%). Ook amorf silicium is een mogelijkheid. Voor dit soort systemen is geen dure en energieverslindende kristalgroei nodig.
[bewerk] Lichtzeven
De hoogste rendementen zijn behaald met cellen die als een soort lichtzeef werken. Een gewone cel heeft het nadeel dat fotonen met een grotere energie dan die van de bandgap als het ware gedegradeerd worden tot deze laatste energie. Daarmee gaat veel potentieel rendement verloren. Het beste zou zijn het licht naar kleur te sorteren en iedere kleur op een cel met een daarbij passende bandgap te laten vallen. Het is mogelijk gebleken door verschillende lagen halfgeleider op elkaar aan te brengen een dergelijke 'zeef' te maken. Daarmee is een rendement van 43% bereikt. De kosten van een dergelijke cel zijn echter nog te hoog om van praktisch nut te zijn.
Het is goed het rendement van een dergelijk cel eens te vergelijken met datgene waar alle landbouw (en dus ook biodiesel e.d.) op gebaseerd is. Fotosynthese heeft minder dan 1% rendement!
[bewerk] Toekomstverwachtingen
Het is anno 2006 niet goed mogelijk te voorspellen wat de energietoekomst van onze aarde is. Zonnecellen zullen nooit zo geconcentreerd zulke grote hoeveelheden energie opleveren als we van fossiele of nucleaire opwekking gewend zijn. Anderzijds is de opbrengst van fotosynthese minder dan 1% en daaraan ontlenen wij alle voedsel, leer, hout, wol, katoen en in Brazilië zelfs een groot deel van de alcohol waarop men rijdt. Het voordeel van een PV-cel boven een biobrandstof is dat PV geen goede landbouwgrond, bevloeiing of kunstmest behoeft. Een cel kan ook vlak bij de gebruiker (op het dak bijvoorbeeld) gemonteerd worden en de energieopwekking in modulair, dat wil zeggen er kunnen gemakkelijk wat cellen bijgezet of verkocht worden. Daarmee is het aanbod makkelijker op de vraag af te stemmen dan bijvoorbeeld bij een kerncentrale. Naast kosten (zowel in geld als in energie) is een ander probleem het onderbrekende karakter van de opwekking. 's Nachts schijnt de zon nu eenmaal niet. Energieopslag is daarom mede een zaak die aandacht behoeft.
