Zonnecellen: hoe ze werken

Energie van de zon

Zonnecellen komen dus op veel plaatsen voor. Vaak worden ze gebruikt op plaatsen waar geen andere stroomvoorziening is. Bedenk dat de zon ongeveer 15.000 tot 20.000 keer zoveel energie levert als de mensheid verbruikt. Dan snap je dat de zon ook op een heel andere manier als stroomleverancier te gebruiken is. Als we slechts een fractie van de energie van de zon kunnen gebruiken, zullen alle energieproblemen opgelost zijn! Op de Universiteit Utrecht, bij het Debye-instituut, doen ze momenteel onderzoek naar zonnecellen. Ze kijken hoe het rendement zo hoog mogelijk gemaakt kan worden.

Laten we eerst eens kijken naar hoe zonnecellen eigenlijk werken.

p-n-overgang

De meeste zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Andere materialen worden ook wel gebruikt, maar we kijken nu alleen naar silicium. Silicium is een halfgeleider, waarvan de 4-waardige atomen in een soort diamantrooster zitten. Halfgeleiders hebben als bijzondere eigenschap dat de atoombindingen gemakkelijk verbroken worden. Dit gebeurt zelfs al bij kamertemperatuur. Op die manier komen elektronen vrij, zodat het materiaal geleidend wordt.

Niet alleen de vrije elektronen zorgen voor de geleiding, ook de gecreëerde gaten doen dit. Deze gaten zijn simpelweg de plaatsen waar eerst een elektron zat. Zo'n gat kan door een naburig elektron worden opgevuld. Dan schuift het gat een plaats op. Dus eigenlijk is het gat een positieve lading, net zoals een elektron een negatieve lading is. Als je kijkt naar hoe de vrije elektronen en gaten ontstaan, zal het je niet verbazen dat er evenveel gaten als vrije elektronen moeten zijn.

Echter verontreinigen we het silicium met andere atomen, dan krijgen we een overschot aan vrije elektronen of gaten. Wanneer er in het siliciumrooster een aantal 5-waardige atomen worden opgenomen (bijvoorbeeld arsenicum), dan is er bij elk 5-waardig atoom een elektron over dat niet aan de atoombindingen meedoet. Zo ontstaat er een extra elektron voor de geleiding. Als er ergens een gat aanwezig is, zal deze snel door één van de elektronen opgevuld worden. Hierdoor zullen alleen vrije elektronen voor de geleiding zorgen. Silicium wat op deze manier verontreinigd is, noemen we $n-type\; silicium$.

In plaats van 5-waardige atomen in het rooster op te nemen, kunnen we ook 3-waardige atomen opnemen. Bij elk van deze atomen is er eigenlijk een elektron te weinig voor de atoombindingen, zodat er een extra gat ontstaat. Vrije elektronen zullen snel een gat vullen, zodat alleen de gaten voor geleiding overblijven. In dit geval is er sprake van $p-type\; silicium$.

Maar wat gebeurt er als we p-materiaal in contact brengen met n-materiaal? Dan zullen elektronen uit het n-materiaal samengaan met gaten uit het p-materiaal. Ze zullen recombineren. Tijdens dat recombineren gaan elektronen uit het n-materiaal naar het p-materiaal. Zo zal in het p-materiaal een dun laagje ontstaan wat negatief geladen is. Op dezelfde manier ontstaat in het n-materiaal een laagje wat positief geladen is. Er ontstaat dan een elektrisch veld, zodat na verloop van tijd de recombinatie stopt. De twee laagjes vormen samen de $p-n-overgang$.

Zonlicht

We weten inmiddels waaruit een zonnecel is opgebouwd. Dan komen we nu bij het zonlicht. Zoals je weet bestaat licht uit fotonen. Elk foton heeft een bepaalde energie, gelijk aan $U=hf$, waarbij $h$ de constante van Planck is en $f$ de frequentie. Als de energie hoog genoeg is, zal het foton een elektron van zijn atoom losmaken. Wat hoog genoeg is, hangt af van het materiaal dat je gebruikt. Bij het ene materiaal zul je meer energie nodig hebben (dus een hogere frequentie) dan bij het andere. Op die manier reageren verschillende type cellen allemaal anders op hetzelfde zonlicht. Daarom zullen verschillende type cellen ook een ander rendement hebben.

Tijdens het losmaken van het elektron ontstaat meteen een nieuw gat. Als één van beide dicht genoeg in de buurt van het elektrische veld van de $p-n-overgang$ komt, zal dit veld het elektron in de richting van het n-materiaal sturen en het gat in de richting van het p-materiaal. Op deze manier komen er nog meer elektronen in de n-laag dan er al waren. En er zullen dus ook extra gaten naar de p-laag gevoerd worden. Verbinden we nu de twee lagen met elkaar via een weerstand, dan zullen de elektronen via deze weerstand naar de p-laag stromen om daar met de gaten te recombineren. Op deze manier gaat er een stroom $I$ lopen, terwijl er tussen de aansluitpunten een spanning $V$ staat.

Toepassingen

Wanneer we kijken naar het gebruik van zonnecellen zijn er eigenlijk twee verschillende redenen om ze te gebruiken als stroomleverancier:
● Behoefte aan stroom op plaatsen waar het elektriciteitsnet niet beschikbaar is.
● Behoefte aan stroom op een manier die geen gebruik maakt van fossiele brandstoffen.

De tweede reden is een gevolg van het feit dat de fossiele brandstoffen op aarde opraken en dat ze daarnaast nadelige bijeffecten hebben, zoals het broeikaseffect. Daarom wordt er gezocht naar nieuwe energievormen. Zonne-energie is één van deze nieuwe vormen. Hiervoor zullen er grote oppervlakten aan zonnecellen moeten komen. Eén mogelijkheid hiervoor zijn grote zonnecelparken. Een andere mogelijkheid is het gebruik van zonnecellen in gebouwen ter vervanging van gewone bouwmaterialen. Zo kunnen bijvoorbeeld dakwerkmaterialen vervangen worden door zonnecellen.

Naast deze twee redenen worden zonnecellen ook gebruikt, als er behoefte is aan weinig energie, zoals in rekenmachines, lichtmeters en camera's.

Zelf onderzoek doen?

Op de Universiteit Utrecht kun je bij de faculteit natuurkunde zelf onderzoek doen met zonnecellen. Je kunt daar voor verschillende typen cellen het rendement meten en ook kun je kijken hoe cellen op verschillende kleuren licht reageren.