Zonnecel Typen Uitgelegd: Functionaliteit, Ontwerp en Praktische Toepassingen

In dit artikel leert u over zonnecellen en hun werkprincipe, verschillende typen zonnecellen, hun constructie en toepassing. Ook kunt u het gratis PDF-bestand van dit artikel downloaden.

Zonnecel en Typen

Wat is een Zonnecel?

Bij fotovoltaische (PV) conversie valt zonnestraling op halfgeleiderapparaten genaamd zonnecellen die zonlicht direct omzetten in elektriciteit.

Een schematisch diagram van een fotovoltaische cel (PV-cel) of zonnecel is in de figuur weergegeven.

Het berust op het effect dat licht heeft op de overgang tussen twee typen halfgeleiders: p-type en n-type. N-type heeft een overschot aan elektronen, p-type een tekort.

Wanneer fel licht op een cel valt, stelt de energie van het licht (fotonen) de elektronen in staat om zich vrij te maken van de overgang tussen hen.

Dit heet het foto-elektrische effect. Voor einkristallijn silicium (4 valentie-elektronen) wordt 'p' verkregen door silicium te doperen met boor (3 valentie-elektronen), typisch 1 µm dik; 'n' door doperen met arseen of fosfor (5 valentie-elektronen), typisch 800 µm dik.

Lees ook: Wat is een Zonnepaneel? Hun typen, werking, voordelen en meer

Typen Zonnecellen

Volgende zijn de verschillende typen zonnecellen die in zonnepanelen worden gebruikt:

1. Amorf silicium zonnecellen (a-Si).
2. Biohybride zonnecel.
3. Begraven contact zonnecel.
4. Cadmiumtelluride zonnecel (CdTe).
5. Geconcentreerde PV-cel (CVP en HCVP).
6. Koper-Indium-Gallium-Selenide zonnecellen (CI(G)S).
7. Kristallijn silicium zonnecel (c-Si).
8. Kleurstof-gesensitiseerde zonnecel.
9. Hybride zonnecel.
10. Multi-junction zonnecel.
11. Monokristijne zonnecel.
12. Nanokristal zonnecel.
13. Foto-elektrochemische cel.
14. Vaste-stof zonnecel.
15. Dunne-film zonnecel.
16. Wafer-gebaseerde zonnecellen.

#1 Amorf Silicium Zonnecellen (a-Si)

Dit zijn gewijzigde versies van dunne-film zonnecellen. Dit type gebruikt drie lagen amorf silicium, elk met een ander bandgap-energieniveau. De verschillende bandgaps laten elke laag reageren op een ander deel van het zonnestralingsspectrum, wat de conversie-efficiëntie verhoogt.

Amorfe cellen bieden hogere efficiëntie dan andere typen en zijn gemakkelijk verkrijgbaar. Ze vereisen wel tweemaal zoveel oppervlakte om dezelfde vermogensopbrengst te geven als een monokristijne zonnecel.

#2 Biohybride Zonnecel

Biohybride zonnecellen bestaan uit organische stof (koolstof bevattend) die een fotosysteem is, en anorganische stof (geen koolstof). Verschillende lagen van het fotosysteem verzamelen fotonenergie, converteren het naar chemische energie, en creëren een stroom door de cel.

Het belangrijkste voordeel is dat het zonne-energie met 100% efficiëntie omzet in elektriciteit. Dit betekent dat weinig of geen vermogen verloren gaat bij de omzetting van chemische naar elektrische energie.

#3 Begraven Contact Zonnecel

De begraven contact zonnecel is een hoge-efficiëntie zonnecellen technologie. Deze typen werken gebaseerd op een geplateerd metaalcontact in een door laser gevormde groef.

Ze leveren een prestatieverbetering van ongeveer 25% ten opzichte van commerciële screen-geprinte zonnecellen. De efficiëntiewinst biedt substantiële kosten- en prestatievoordelen.

#4 Cadmiumtelluride Zonnecel (CdTe)

Deze zonnecel gebruikt cadmiumtelluride in een dunne halfgeleiderlaag ontworpen om zonlicht te absorberen en om te zetten in elektriciteit. Deze fungeren als primaire fotoconversielaag en absorberen het meeste zichtbare licht binnen de eerste micron van het materiaal.

De TCO-laag creëert een elektrisch veld dat het geabsorbeerde licht in de CdTe-laag omzet in stroom en spanning. Deze systemen zijn veel efficiënter dan vergelijkbaar kristallijn silicium.

#5 Geconcentreerde PV-cel (CVP en HCVP)

Geconcentreerde PV-cellen produceren elektriciteit op dezelfde manier als conventionele fotovoltaische systemen. CVP gebruikt doorgaans gebogen spiegels om zonlicht te fokussen op kleine, hoog efficiënte multi-junction zonnecellen. Ze bieden een efficiëntie van ongeveer 40% en zijn ook goedkoper.

#6 Koper-Indium-Gallium-Selenide Zonnecellen (CI(G)S)

Een koper-indium-gallium-selenide zonnecel zet zonnenergie om in elektrische energie. Meestal gemaakt door een dunne laag koper, indium, gallium en selenium op een glas of kunststof backing aan te brengen, met elektroden heen en weer om de stroom op te vangen.

Omdat het materiaal een hoge absorptiecoëfficiënt heeft en zonlicht sterk absorbeert, is een dunne film voldoende. Deze materialen absorberen een groot deel van het zonnestralingsspectrum, wat de hoogste efficiëntie mogelijk maakt.

#7 Kristallijn Silicium Zonnecel (c-Si)

Kristallijn silicium is het belangrijkste halfgeleidermateriaal in fotovoltaische technologie voor zonnecellen. Deze zonnecellen bestaan uit siliciumdeeltjes die samen een kristalrooster vormen.

Dit kristalrooster biedt een georganiseerd systeem dat de omzetting van licht in elektriciteit efficiënter maakt. Door de hoge efficiëntie daalt de kosten van de finale installatie.

#8 Kleurstof-gesensitiseerde Zonnecel

Een laagprijs dunne-film zonnecel gebaseerd op een halfgeleider gevormd tussen een lichtgevoelige anode en een elektolyte, een foto-elektrochemisch systeem. Deze apparaten converteren lichtenergie in elektrische energie met organische kleurstoffen en halfgeleiders.

Vergeleken met andere typen presteren ze beter onder hoge temperaturen en diffuse licht. Daarnaast zijn ze kosteneffectief, eenvoudig te produceren en simpel te manipuleren.

#9 Hybride Zonnecel

Deze zonnecellen bestaan uit twee materialen: organische en anorganische halfgeleiders. Het organische materiaal bestaat uit geconjugeerde polymeren die licht absorberen als donoren en poriën transporteren.

Aan de andere kant worden anorganische materialen gebruikt als acceptoren en elektronen transporters in de structuur. Het voordeel van hybride zonne-systemen is dat ze zonne-energie en goedkope elektriciteit opslaan. Zonne-energie wordt beschikbaar tijdens piekgebruik.

#10 Multi-junction Zonnecel

Dit zijn zonnecellen met meerdere p-n overgangen van verschillende halfgeleidermaterialen. De p-n overgang van elk materiaal genereert een elektrische stroom in reactie op verschillende golflengtes van licht.

Ze kunnen verschillende golflengtes van binnenkomend zonlicht absorberen met behulp van afzonderlijke lagen. Dit maakt ze efficiënter in het omzetten van zonlicht in elektriciteit dan single-junction cellen.

#11 Monokristijne Zonnecel

Deze zonnecel bestaat uit een cilindrische siliciumstaaf gemaakt van een einkristal van silicium van hoge zuiverheid, vergelijkbaar met een halfgeleider. Het werkt als een polykristijne zonnecel.

Wanneer zonlicht op monokristijne zonnecellen valt, absorberen ze de energie en creëren ze door een complex proces een elektrisch veld. Dit veld omvat de spanning en stroom die elektriciteit genereren. Monokristijne zonnecellen hebben een relatief hoge efficiëntie.

#12 Nanokristal Zonnecel

Nanokristal zonnecellen zijn gemaakt van een materiaal bedekt met nanokristallen. De nanokristallen zijn van silicium, CdTe, of SiGs en de substrates zijn meestal silicium of diverse organische halfgeleiders.

Deze nanokristallen worden gevormd door een spin-coating proces dat het plaatsen van een volume kwantumdot-oplossing op een vlakke oppervlakte omvat. De oplossing wordt gelijkmatig verdeeld en het oppervlak wordt gedraaid tot de vereiste dikte bereikt is.

#13 Foto-elektrochemische Cel

Deze zonnecellen absorberen een bron van zonlicht op een halfgeleider of fotosensitizer om elektrische energie te produceren, vergelijkbaar met een kleurstof-gesensitiseerde zonnecel.

Elke cel bestaat uit één of twee halfgeleider foto-elektroden en een additionele metaal- en referentie-elektrodo gedoopt in een elektolyte. Ze zijn laag in kosten en een vrij eenvoudig proces, wat een van de voordelen is.

#14 Vaste-stof Zonnecel

Vaste-stof zonnecellen worden typisch gebruikt voor halfgeleiderapparatuur vergelijkbaar met halfgeleiderdiodes en geïntegreerde circuits. Ze worden ook gebruikt in halfgeleiderelektronica zonder bewegende delen ter vervanging van apparaten met bewegende delen.

Het bestaat uit twee kristallen, ge-doped met een n-type halfgeleider die extra vrije geleidingsband-elektronen toevoegt. De andere is ge-doped met een p-type halfgeleider die meer elektrongaten toevoegt.

#15 Dunne-film Zonnecel

Deze typen zijn ontworpen om zonnenergie om te zetten in elektrische energie door middel van een fotovoltaisch effect. Dunne-film zonnecellen worden gemaakt door één of meer dunne lagen op een flexibel substraat aan te brengen, zoals glas, kunststof of metaal.

Tegenwoordig worden verschillende typen dunne-film zonnecellen gebruikt vanwege hun relatief lage kosten en efficiëntie in vermogensopwekking. Ook worden ze in verschillende technologieën gebruikt waaronder cadmiumtelluride, koper-indium-gallium-diselenide en amorfe dunne-film silicium.

#16 Wafer-gebaseerde Zonnecellen

Zoals de naam suggereert, zijn wafer-gebaseerde siliciumcellen gemaakt van sneden van einkristallijn of multikristallijn silicium. Ze bereiken de hoogste efficiëntie van enig type fotovoltaische technologie. In deze zonnecel worden alle functionele lagen op het substraat gedeponeerd en getranscribeerd om de elektrisch verbonden subcellen te scheiden.

Werking van Zonnecel

De fotonen van de zon raken de cel op de microdunne p-zijde en penetreren tot de overgang om elektronen-gaten paren te genereren. Wanneer de cel met een last is verbonden, zoals getoond, diffunderen de elektronen vanaf de n-kant. De richting van de stroom (I) is tegengesteld aan die van de elektronen.

Typische spanning-stroom kenlijnen worden in de figuur getoond bij twee verschillende zonnestralingsniveaus, voor elk waarvan Voc = open-circuit spanning, Isc = kortsluitstroom. Het ideale vermogen van de cel is Vo.Isc. Het maximum bruikbare vermogen is de oppervlakte van de grootste rechthoek die onder de I-V kromme past.

Indien de spanning en stroom bij deze situatie aangeduid worden met Vm en I'm, is het maximum bruikbare vermogen VmIm. De verhouding van het maximum bruikbare vermogen tot het ideale vermogen heet de vulfactor (k). Typische waarden voor een siliciumcel:

Voc = 450 tot 400 mV; Isc = 30 tot 50 mA/cm², k = 0,65 tot 0,80.

Zonnecellen in vorm van dunne films of wafers converteren 3% tot minder dan 30% van de incidente zonnenergie in dc-elektriciteit. De verbinding van dergelijke cellen in serie-parallel configuraties stelt het ontwerp van zonnepanelen met hoge spanningen tot wel enkele kilovolts in staat.

Gecombineerd met energietopslag en vermogensconditioneringsapparatuur, kunnen deze cellen een integraal deel uitmaken van een compleet zonne-elektrisch conversiesysteem.

Toepassingen van Zonnecellen

Er zijn veel praktische toepassingen voor zonnepanelen of fotovoltaïsch. Eerst gebruikt in landbouw als energiebron voor irrigatie. In gezondheidszorg kunnen zonnepanelen medische voorraden koelen. PV-modules worden gebruikt in fotovoltaische systemen en omvatten een grote reeks elektrische apparaten:

Volgende is de lijst met toepassingen van zonnecellen:

1. Fotovoltaische centrales.
2. Dak-zonne PV-systemen.
3. Zelfstandige PV-systemen.
4. Hybride zonne-energiesystemen.
5. Geconcentreerde fotovoltaïsche systemen.
6. Zonnepanelen.
7. In zonne-gepompte lasers.
8. Zonnevoertuigen.
9. Gebruikt in zonnepanelen op ruimtevaartuigen en ruimtestations.

Dat is het, bedankt voor het lezen. Heeft u vragen over typen zonnecellen? Laat een reactie achter. Als u dit artikel leuk vindt, deel het met uw vrienden.

Abonneer u op onze nieuwsbrief voor meer content: