Een Eenvoudige Zonnecel Bouwen: Stapsgewijze Handleiding voor Fotovoltaïsche Technologie

Hoe een Eenvoudige Zonnecel te Bouwen? (Stap voor Stap) | Basiswerkingsprincipe van een Fotovoltaïsche Cel

Inleiding tot Zonnecellen of Fotovoltaïsche Cellen

Een zonnecel (of Fotovoltaïsche Cel) is een apparaat dat elektrische stroom produceert door chemische werking of door licht om te zetten in elektrische stroom wanneer het aan zonlicht wordt blootgesteld. In dit artikel richten we ons op zonnecellen.

Een zonnecel wordt ook fotovoltaïsche cel genoemd die elektrische stroom produceert wanneer het oppervlak aan zonlicht wordt blootgesteld. In dit artikel zullen we verwijzen naar zonlicht als elektromagnetische straling (EM-straling).

Een Eenvoudige Zonnecel Bouwen: Stapsgewijze Handleiding voor Fotovoltaïsche Technologie

In zonnecellen hangt de hoeveelheid elektrisch gegenereerde energie af van de intensiteit van de EM-straling die het celoppervlak bereikt. Een zonnecel zet EM-straling om in DC-stroom. We kunnen dus zeggen dat een zonnecel een halfgeleiderknooppuntapparaat is dat elektromagnetische straling van de zon omzet in elektrische energie. Zoals gezegd, is de gegenereerde stroom DC.

Basiswerkingsprincipe van een Fotovoltaïsche / Zonnecel

Het werkingsprincipe van een zonnecel is vergelijkbaar met geleiding in een halfgeleider zoals silicium. Zoals in de afbeelding te zien is, is het donkere oppervlak het deel dat aan zonlicht wordt blootgesteld. Wanneer EM-straling het celoppervlak raakt, worden elektronen geëxciteerd en springen ze van het ene energieniveau (baan) naar het ander, waarbij gaten achterblijven.

Deze gaten fungeren als positieve ladingdragers, terwijl de elektronen als negatieve ladingdragers fungeren. Laat u niet verwarren: de elektronen of gaten vormen niet de elektrische lading. Ze dragen de lading alleen. Door dit te doen wordt EM-straling omgezet in elektrische energie. Zonnecellen worden basisvormig gemaakt van halfgeleiders zoals silicium en selenium, de meest gebruikte.

Typen Halfgeleiders

We hebben twee typen halfgeleiders: intrinsieke en extrinsieke halfgeleiders.

Intrinsieke Halfgeleiders:

Dit zijn halfgeleiders die in hun eigen vorm zuiver zijn. Geen verontreiniging wordt toegevoegd om hun geleiding te verbeteren. Halfgeleiders van dit type hebben bij nul graden Celsius zeer weinig of geen vrije gaten en elektronen voor geleiding.

Extrinsieke Halfgeleiders:

Deze typen halfgeleiders zijn niet zuiver; ze zijn gedopt (stoffen die als verontreiniging dienen worden toegevoegd om de geleiding te verbeteren). Wanneer een halfgeleider gedopt wordt, vindt men de volgende materialen:

P-type Halfgeleiders

Dit type halfgeleider ontstaat wanneer silicium, selenium of germanium gedopt wordt met een driewaardig element (element met drie valentie-elektronen) zoals boor. Gaten (positieve ladingdragers) zijn de hoofdladingdragers in dit type halfgeleider.
N-type Halfgeleiders

Elektronen zijn de hoofdladingdragers in dit type halfgeleider. Ze dragen negatieve ladingen. Ze ontstaan wanneer silicium of een andere halfgeleider gedopt wordt met een vijfwaardig element (element met vijf valentie-elektronen in de uiterste schil).
PN-type Halfgeleiders

Wanneer P- en N-type halfgeleiders samengevoegd worden door ze te smelten, d.w.z. de contactoppervlakken aan een hoge temperatuur te onderwerpen (niet volledig smelten zodat ze één entiteit vormen), ontstaat een grenslaag of een knooppunt tussen hen van de orde 10^-3 mm. Die grenslaag heet PN-knooppunt. Hoge concentratie gaten aan de ene kant van een knooppunt en hoge concentratie elektronen aan de andere kant zorgen ervoor dat de twee ladingdragers respectievelijk naar de andere kant van het knooppunt diffunderen.

Hoe een Eenvoudige Fotovoltaïsche / Zonnecel te Bouwen?

Silicium en selenium zijn de meest uitgebreid gebruikte halfgeleiders in de productie van zonnecellen. Gallium, arsenide, indium arsenide en cadmium sulfide etc. worden ook gebruikt, maar silicium en selenium zijn het meest wijdverspreid.

Wetende dat halfgeleidermaterialen zoals silicium en selenium tamelijk duur kunnen zijn, zullen we praten over hoe een zonnecel te bouwen met materialen zoals silicium en ook hoe een zonnecel te bouwen met goedkope materialen die om ons heen te verkrijgen zijn.

Let op dat het gebruik van goedkope materialen geen equivalent vermogensoutput oplevert vergeleken met silicium of selenium en tweedens, hoe groter het oppervlak van het materiaal dat aan EM-straling wordt blootgesteld, hoe meer energie geproduceerd wordt.

Constructie van een Zonnecel met Silicium Halfgeleider

Zoals eerder gezegd, is het oppervlak een P-type materiaal. Het P-type materiaal moet dun zijn zodat lichtenergie (EM-straling) het knooppunt kan doordringen en het N-type materiaal kan bereiken om de diffusie van elektronen en gaten toe te laten.

De nikkel-geplaatste ring rond het P-type materiaal fungeert als de positieve uitgangsklem, terwijl de platering aan de onderkant van het N-type materiaal fungeert als de negatieve uitgangsklem.

Hoe een Eenvoudige Zonnecel te Bouwen? (Stap voor Stap)

Nu u weet hoe zonnecellen geproduceerd worden met silicium, laten we zien hoe we een fotovoltaïsche cel kunnen produceren met andere materialen. In plaats van kuperoxide te gebruiken, zullen we verschillende materialen gebruiken. De benodigde materialen zijn:

Glasplaten (bijv. microscopisch dekseltjes)
Gedemineraliseerd water
Multimeter
Transparant tape
On diepe schotel
Elektrische hitteplaat (1100W indien mogelijk)
Titaandioxide-oplossing
Koolstof (grafietpotlood of grafiet-smeermiddel)
Iodide-oplossing
Binder clips
Krokodillen klemmen

In ons vorige werk was het P-type materiaal naar de zon gericht en is meer geleidend vergeleken met het N-type materiaal. Glas is een halfgeleider met een partiële geleiding. Voor een van de glasplaten om als P-type materiaal te fungeren terwijl de ander als N-type materiaal fungeert, moet u ze met chemicaliën behandelen zodat aan het einde ervan een van hen meer geleidend zal zijn dan de ander. De stappen zijn als volgt.

Reinig de oppervlakken van de twee glasplaten grondig met ethanol. Raak het oppervlak van de glasplaten na reiniging niet met uw handen.
Test met een multimeter hoe geleidend de oppervlakken van de platen zijn en let op het meest geleidende oppervlak van elke plaat. Plaats de platen naast elkaar met het geleidende oppervlak van een van de platen naar beneden gericht, terwijl het andere geleidende oppervlak naar boven wijst.
Na stap 2, pas transparant tape toe om de glasplaten samen te houden. De tape moet langs een van de lange kanten van de platen worden aangebracht. De tape moet 1 mm of zo van de randen overlappen. Plaats ook een tape aan de buitenkant van de naar boven gerichte glasplaat 4-5 mm.
Breng gelijkmatig druppels titaandioxide aan op het oppervlak van de glasplaten en verspreid de oplossing gelijkmatig. Laat de oplossing het geleidende oppervlak dat naar beneden wijst bedekken.
Wanneer klaar met aanbrengen van titaandioxide, verwijder de tape die de platen samen houdt.
Plaats het geleidende oppervlak dat naar boven wijst op een elektrische hitteplaat overnachten om de titaandioxide op de platen te bakken. Reinig de titaandioxide die op het naar beneden wijzende geleidende oppervlak zit en bewaar het op een schone plek.
Krijg een ondiepe schotel en vul het met kleurstof gemaakt van braam, framboos of granaatappelsap etc. Week de titaandioxide beklede plaat die naar beneden wijst gedurende ten minste 10 minuten.
Reinig de andere plaat met ethanol terwijl de titaandioxide plaat in de kleurstof weekt. Test de geleiding van het oppervlak na reiniging. Markeer de kant die geen elektrische stroom geleidt als positief. Breng grafiet-smeermiddel of grafietpotlood over het geleidende oppervlak en bedek het hele oppervlak.
Haal de met titaandioxide beklede plaat uit de kleurstof. Spoel het eerst met gedemineraliseerd water, dan met ethanol. Veeg het ethanol van de plaat met een schoon doekje.
Monteer de twee platen samen zodat de bekledingen elkaar raken met de platen licht verspringend. Houd de platen op hun plaats met behulp van binder clips. Ze moeten verspringend zijn gemaakt omdat de randen zullen dienen als de klemmen.
Breng druppels iodide-oplossing aan op de bekleding die aan zonlicht wordt blootgesteld. Laat de bekledingen volledig in de oplozing doordrenken. De essentie van de iodide-oplossing is om elektronen te helpen stromen van de titaandioxide-beklede plaat naar de koolstof-beklede plaat wanneer ze aan EM-straling worden blootgesteld. Als de iodide-oplossing in overmaat is, veeg de oplossing van het oppervlak dat aan zonlicht wordt blootgesteld.
Bevestig een krokodillen klem aan de secties van het beklede oppervlak aan beide kanten van de cel. Een klem bevestigd aan het met grafiet beklede oppervlak dat fungeert als de anode, terwijl de krokodillen klem bevestigd aan het met titaandioxide beklede oppervlak fungeert als de kathode. Verbind geleidende draden met de klemmen en plaats het in een positie dat licht op het oppervlak van de plaat valt. Uw zonnecel is nu klaar voor gebruik. U kunt de hoeveelheid spanning en stroom die de zonnecel produceert meten met de multimeter. Natuurlijk is de spanning niet genoeg om uw telefoon op te laden, maar u kunt een reeks van deze zonnecellen maken om dat wel te doen!.

Voordelen van Zonnecellen

Hieronder volgen de voordelen van het gebruik van zonnecellen:

Het produceert geen geluid
Het vereist geen brandstof om op gang te komen
Zijn dryvende kracht is gratis in de natuur
Het vereist weinig onderhoud

Nadelen van Zonnecellen

Nadelen van het gebruik van zonnecellen zijn:

Het celoppervlak moet groot zijn om een redelijke hoeveelheid elektrische energie te produceren.
Wanneer de zon in de wolken verdwijnt, daalt de gegenereerde energie.
Ze kunnen niet als energiebron worden ingezet vanwege fluctuaties in de gegenereerde energiehoeveelheid.

Toepassingen & Gebruik van Zonnecellen

Zonnecellen hebben talloze toepassingen ondanks de nadelen, namelijk:

Groep series-parallel verbonden zonnecellen kunnen als batterijlader dienen
Ze worden uitgebreid gebruikt als energiebron voor satellieten
Meervoudige silicium fotovoltaïsche apparaten kunnen gebruikt worden voor lichtdetectie in toepassingen zoals het lezen van perforatiekaarten in de dataverwerkingsindustrie
Goud-gedopeerde germanium cellen met gecontroleerde spectrale respons kunnen dienen als infrarooddetectoren.