Hoe werken zonnepanelen?

Externe energie bron

Zonne-energie is de enige externe energiebron die we op aarde hebben. Alles wat groeit, bloeit en leeft komt indirect van de zon, zelfs fossiele brandstoffen zijn in feite niets anders dan opgeslagen plantenresten die alleen hebben kunnen groeien met warmte en licht van de zon. Kortom, zonne-energie is de meest directe vorm van energie die we op aarde hebben! Wist je dat er ieder uur meer zonlicht op de aarde valt dan dat we aan energie in een jaar nodig hebben? De kunst is om deze energie van zonlicht via zonnepanelen om te zetten in een voor ons meer bruikbare vorm, zoals elektriciteit. Er zijn verschillende manieren om energie uit de zon om te zetten die we onderscheiden in foto thermisch en fotovoltaïsch.

Foto thermische technieken

Bij foto thermische technieken wordt zonlicht gebruikt om een vloeistof op te warmen. Dit kan bijvoorbeeld met behulp van warmtepanelen om warm water voor in huis te creëren. Maar er bestaan ook grote zonneparken waarbij spiegels gericht staan op een centrale toren gevuld met water. Hierin wordt stoom gegenereerd om vervolgens een turbine aan te drijven, net als in een op fossiele brandstoffen gestookte centrale.

Fotovoltaïsche effect

Standaard zonnepanelen zijn gebaseerd op het fotovoltaïsche effect. We noemen deze dan ook PV(photovoltaic)-panelen. Licht fotonen die op het paneel vallen creëren een spanningsverschil waarmee de elektriciteit wordt gegenereerd.

Met Solar Monkey richten we ons alleen op PV-panelen. Het eerste paneel werd in 1883 gebouwd door de Amerikaanse Charles Fritts. En hoewel er qua technologie veel is veranderd, blijft het werkingsprincipe van een PV-paneel onveranderd. Na het lezen van dit artikel weet je alles over de basis principes van PV-panelen!

Verschillende manieren om zonne-energie op te wekken.

Verschillende manieren om zonne-energie om te zetten

PV Panelen

Voor het produceren van PV-panelen hebben we materialen nodig met specifieke eigenschappen voor het geleiden van elektriciteit. Elektriciteit en geleiding daarvan is eigenlijk niets anders dan beweging van geladen deeltjes, elektronen. Metalen zijn goede geleiders van elektriciteit omdat elektronen zich vrij kunnen bewegen door het materiaal. Bij de meeste niet-metalen zijn de elektronen gebonden aan het atoom, deze kunnen dan niet vrij door het materiaal bewegen. Deze materialen geleiden geen elektriciteit en noemen we ook wel isolatoren.

Halfgeleiders en het fotovoltaïsche effect

Voor zonnepanelen hebben we zogenaamde halfgeleiders nodig. Deze materialen geleiden normaal gesproken weinig tot geen elektriciteit, maar door bepaalde toevoeging van energie kunnen er echter vrije elektronen gecreëerd worden, deze ‘springen’ dan los van het atoom raster. We zeggen dan dat een elektron springt van de valentieband naar de conductieband. Een elektron dat zich bevindt in de conductieband kan dus vrij door het materiaal bewegen. De energie die nodig is om een elektron van de valentieband naar de conductieband te doen springen noemen we de ‘band gap’. De reden van het bestaan van deze bandgap ligt in de quantum mechanica en laten we hier verder buiten beschouwing. Als een negatief geladen elektron los springt van het atoom, laat het een positief geladen ‘electron hole’ achter. De energie om een elektron los te schieten kan worden geleverd door bijvoorbeeld warmte, maar ook door licht.

Uitleg van hoe zonnepanelen precies werken

Schematische weergave van een metaal en een semiconductor.

In een zonnepaneel wordt deze energie geleverd door een lichtdeeltje, ook wel een foton genoemd. Dit foton wordt geabsorbeerd door het materiaal, het negatief geladen elektron komt los van het materiaal raster en kan nu vrij door het materiaal bewegen. Wat er achter blijft is een positief geladen deeltje, ook wel een ‘hole’ genoemd. Er is nu dus een elektron-hole paar gecreëerd die beiden vrij kunnen bewegen door het materiaal.

Illustratie van het genereren van een elektron-hole paar door de absorptie van een lichtdeeltje (foton). Een elektron komt los en ‘springt’ van de valentieband naar de conductieband.

Spanningsverschil

P-N junctie

Het losschieten van vrije elektronen en vrije elektron holes creëert op zichzelf nog geen spanningsverschil. Eerst moeten deze geladen deeltjes worden gescheiden. Dit gebeurt door twee verschillende typen halfgeleiders kunstmatig te creëren en deze op elkaar te leggen. We spreken hierbij van een p-type en een n-type halfgeleider.

In een n-type halfgeleider worden tijdens de productie atomen toegevoegd die een vrij elektron beschikbaar hebben en dit afstaan aan het materiaal. Door fosfor atomen toe te voegen aan silicium komt er een elektron los, er blijft dan een positief geladen fosfor atoom achter. Dit fosfor atoom zit vast in het raster, en kan dus in tegenstelling tot het losgekomen elektron niet bewegen. Dit noemen we N-doping. Er zijn nu dus meer vrij beweegbare elektronen dan gaten. Dit kan ook andersom, door een p-type doping atoom toe te voegen die juist een elektron opneemt. Er zijn dan juist meer vrij beweegbare elektron gaten, ofwel positief geladen deeltjes. In de praktijk wordt hiervoor vaak Boron gebruikt.

Het circuit waarin elektronen zich bewegen om elektriciteit op te wekken

Links een met fosfor gedopeerd materiaal (n-doped) met vrije negatief geladen elektronen en positief geladen P-atomen in het raster. Rechts een met boron gedopeerd materiaal (p-doped) met vrije positief geladen holes en negatief geladen B-atomen in het raster.

Links een materiaal gedopeerd met fosfor (n-doped) met vrije negatief geladen elektronen en positief geladen P-atomen in het raster. Rechts een material gedopeerd met boron (p-doped) met vrije positief geladen holes en negatief geladen B-atomen in het raster.

Krachten

Diffusie

Omdat de dichtheid van elektronen (of holes) aan de ene kant vele malen lager is dan aan de andere kant, is er een drijvende kracht om van de ene naar de andere kant te vloeien. Dit kun je vergelijken met twee verbonden vaten met vloeistof of gas, waarbij dit altijd uitstroomt tot de druk aan beide kanten gelijk is.

Drift

Dit is de kracht van een elektrische spanning veroorzaakt door de geladen deeltjes in het raster. De positief geladen vaste atomen in het raster stoten de negatief geladen elektronen af, en andersom.

De diffusie en drift zijn tegenovergesteld en bij een zonnepaneel in het donker zijn deze drift en diffusie met elkaar in evenwicht. Er wordt dan dus nog geen elektriciteit gegenereerd. Op het moment van belichting, worden er door het gehele materiaal nieuwe elektronen en holes gevormd waardoor de elektrische spanning (drift) groter wordt dan de diffusie. Hierdoor worden de elektronen naar de n-type kant getrokken, terwijl de holes naar de p-type kant getrokken worden. Dit resulteert in een spanningsverschil en daarmee is het zonnepaneel een spanningsbron geworden. We sluiten op de de p-type de plus-pool aan, en op de n-type de minpool. We hebben nu een elektrisch circuit waarbij elektronen van min naar plus stromen. En daar hebben we ons zonnepaneel!

Meer weten over wat Solar Monkey doet?

Klik dan hier voor meer informatie.

Onderwerpen
2021-04-30T11:14:09+01:00