Zonnecel

Achtergrond

Fotovoltaïsche zonnecellen zijn dunne siliciumschijven die zonlicht omzetten in elektriciteit. Deze schijven fungeren als energiebronnen voor een breed scala aan toepassingen, waaronder:rekenmachines en andere kleine apparaten; telecommunicatie; dakpanelen op individuele huizen; en voor verlichting, pompen en medische koeling voor dorpen in ontwikkelingslanden. Zonnecellen in de vorm van grote arrays worden gebruikt om satellieten van stroom te voorzien en, in zeldzame gevallen, om elektriciteit te leveren aan elektriciteitscentrales.

Toen het onderzoek naar elektriciteit begon en eenvoudige batterijen werden gemaakt en bestudeerd, volgde het onderzoek naar zonne-elektriciteit verbazingwekkend snel. Al in 1839 stelde Antoine-Cesar Becquerel een chemische batterij bloot naar de zon om te zien hoe deze spanning produceert. Deze eerste omzetting van zonlicht naar elektriciteit was één procent efficiënt. Dat wil zeggen, één procent van het binnenkomende zonlicht werd omgezet in elektriciteit. Willoughby Smith ontdekte in 1873 dat selenium gevoelig was voor licht; in 1877 merkten Adams en Day op dat selenium bij blootstelling aan licht een elektrische stroom produceerde. Charles Fritts gebruikte in de jaren 1880 ook met goud bedekt selenium om de eerste zonnecel te maken, opnieuw slechts één procent efficiënt. Toch beschouwde Fritts zijn cellen als revolutionair. Hij zag gratis zonne-energie als een middel voor decentralisatie en voorspelde dat zonnecellen energiecentrales zouden vervangen door individueel aangedreven woningen.

Met de verklaring van Albert Einstein in 1905 van het foto-elektrisch effect - metaal absorbeert energie van licht en zal die energie vasthouden totdat er teveel licht op valt - steeg de hoop opnieuw dat zonne-elektriciteit met hogere efficiëntie haalbaar zou worden. Er werd echter weinig vooruitgang geboekt, totdat onderzoek naar diodes en transistors de kennis opleverde die Bell-wetenschappers Gordon Pearson, Darryl Chapin en Cal Fuller nodig hadden om in 1954 een siliciumzonnecel te produceren met een efficiëntie van vier procent.

Verder werk bracht de efficiëntie van de cel op 15 procent. Zonnecellen werden voor het eerst gebruikt in de landelijke en geïsoleerde stad Americus, Georgia als stroombron voor een telefoonrelaissysteem, waar het jarenlang met succes werd gebruikt.

Een type zonnecel om volledig te voorzien in de binnenlandse energiebehoefte is nog niet ontwikkeld, maar zonnecellen zijn succesvol geworden in het leveren van energie aan kunstmatige satellieten. Brandstofsystemen en gewone batterijen waren te zwaar in een programma waarbij elke gram ertoe deed. Zonnecellen leveren meer energie per ons gewicht dan alle andere conventionele energiebronnen, en ze zijn kosteneffectief.

Er zijn slechts enkele grootschalige fotovoltaïsche energiesystemen opgezet. De meeste inspanningen zijn gericht op het leveren van zonneceltechnologie aan afgelegen plaatsen die geen andere manier van geavanceerde stroomvoorziening hebben. Elk jaar wordt er ongeveer 50 megawatt geïnstalleerd, maar zonnecellen leveren slechts ongeveer. 1 procent van alle elektriciteit die nu wordt geproduceerd. Aanhangers van zonne-energie beweren dat de hoeveelheid zonnestraling die het aardoppervlak elk jaar bereikt, gemakkelijk meerdere keren in al onze energiebehoeften kan voorzien, maar zonnecellen hebben nog een lange weg te gaan voordat ze de droom van Charles Fritts van gratis, volledig toegankelijke zonne-elektriciteit kunnen vervullen .

Grondstoffen

Het basisbestanddeel van een zonnecel is puur silicium, dat in zijn natuurlijke staat niet puur is. Om zonnecellen te maken, worden de grondstoffen - siliciumdioxide van kwartsietgrind of gemalen kwarts - eerst in een elektrische boogoven, waar een koolstofboog wordt toegepast om de zuurstof vrij te maken. De producten zijn kooldioxide en gesmolten silicium. Op dit moment is het silicium nog niet zuiver genoeg om te worden gebruikt voor solor-cellen en moet het verder worden gezuiverd. Zuiver silicium is afgeleid van siliciumdioxiden zoals kwartsietgrind (het zuiverste silica) of gemalen kwarts. Het resulterende zuivere silicium wordt vervolgens gedoteerd (behandeld met) met fosfor en boor om respectievelijk een overmaat aan elektronen en een tekort aan elektronen te produceren om een ​​halfgeleider te maken die in staat is om elektriciteit te geleiden. De siliciumschijven zijn glanzend en hebben een antireflectiecoating nodig, meestal titaniumdioxide.

De zonnemodule bestaat uit de silicium halfgeleider omgeven door beschermend materiaal in een metalen frame. Het beschermende materiaal bestaat uit een inkapseling van transparant siliconenrubber of butyrylplastic (vaak gebruikt in autoruiten) gebonden rond de cellen, die vervolgens worden ingebed in ethyleenvinylacetaat. Een polyesterfilm (zoals mylar of tedlar) vormt de rug. Een glazen kap is te vinden op terrestrische arrays, een lichtgewicht plastic kap op satellietarrays. De elektronische onderdelen zijn standaard en bestaan ​​grotendeels uit koper. Het frame is van staal of aluminium. Silicium wordt gebruikt als cement om het allemaal samen te stellen.

Het fabricageproces

Het silicium zuiveren

• 1 Het siliciumdioxide van kwartsietgrind of gemalen kwarts wordt in een vlamboogoven geplaatst. Vervolgens wordt een koolstofboog aangelegd om de zuurstof vrij te maken. De producten zijn kooldioxide en gesmolten silicium. Dit eenvoudige proces levert silicium op met één procent onzuiverheid, bruikbaar in veel industrieën, maar niet in de zonnecelindustrie.
• 2 Het 99 procent zuivere silicium wordt nog verder gezuiverd met behulp van de floating zone techniek. Een staaf van onzuiver silicium wordt meerdere keren in dezelfde richting door een verwarmde zone geleid. Deze procedure "sleept" de onzuiverheden bij elke passage naar één uiteinde. Op een bepaald punt wordt het silicium als zuiver beschouwd en wordt het onzuivere uiteinde verwijderd.

Monokristallijn silicium maken

• 3 Zonnecellen zijn gemaakt van silicium boules, polykristallijne structuren die de atomaire structuur van een enkel kristal hebben. Het meest gebruikte proces voor het maken van de boule is de Czochralski-methode. Bij dit proces wordt een kiemkristal van silicium ondergedompeld in gesmolten polykristallijn silicium. Terwijl het kiemkristal wordt teruggetrokken en geroteerd, wordt een cilindrische staaf of "bol" van silicium gevormd. De teruggetrokken staaf is ongewoon zuiver, omdat onzuiverheden de neiging hebben om in de vloeistof achter te blijven.

Siliciumwafels maken

• 4 Van de boule worden siliciumwafels één voor één gesneden met behulp van een cirkelzaag waarvan de binnendiameter in de staaf snijdt, of veel tegelijk met een meerdraadszaag. (Een diamantzaag produceert sneden die zo breed zijn als de wafel - 5 millimeter dik.) Slechts ongeveer de helft van het silicium gaat verloren van de bol naar de voltooide cirkelvormige wafel - meer als de wafel vervolgens wordt gesneden om rechthoekig of zeshoekig. Rechthoekige of zeshoekige wafels worden soms gebruikt in zonnecellen omdat ze perfect in elkaar passen, waardoor alle beschikbare ruimte aan de voorkant van de zonnecel wordt benut. Na de eerste zuivering wordt het silicium verder verfijnd in een proces met zwevende zones. Bij dit proces wordt een siliciumstaaf meerdere keren door een verwarmde zone geleid, die dient om de onzuiverheden naar het ene uiteinde van de staaf te 'slepen'. Het onzuivere uiteinde kan dan worden verwijderd.
  Vervolgens wordt een siliciumkiemkristal in een Czochralski-groeiapparaat geplaatst, waar het in gesmolten polykristallijn silicium wordt gedompeld. Het entkristal roteert terwijl het wordt teruggetrokken en vormt een cilindrische staaf van zeer zuiver silicium. Wafels worden vervolgens uit de staaf gesneden.
• 5 De wafels worden vervolgens gepolijst om zaagsporen te verwijderen. (Onlangs is ontdekt dat ruwere cellen licht effectiever absorberen, daarom hebben sommige fabrikanten ervoor gekozen de wafel niet te polijsten.)

Doping

• 6 De traditionele manier om siliciumwafels met boor en fosfor te doteren (toevoegen van onzuiverheden) is door een kleine hoeveelheid boor toe te voegen tijdens het Czochralski-proces in stap #3 hierboven. De wafels worden vervolgens rug aan rug verzegeld en in een oven geplaatst om te worden verwarmd tot iets onder het smeltpunt van silicium (2.570 graden Fahrenheit of 1.410 graden Celsius) in aanwezigheid van fosforgas. De fosforatomen "graven" in het silicium, dat poreuzer is omdat het bijna vloeibaar wordt. De temperatuur en tijd die aan het proces worden gegeven, worden zorgvuldig gecontroleerd om een ​​uniforme kruising van de juiste diepte te garanderen.

  Een meer recente manier om silicium met fosfor te doteren, is door een kleine deeltjesversneller te gebruiken om fosforionen in de staaf te schieten. Door de snelheid van de ionen te regelen, is het mogelijk om hun penetratiediepte te regelen. Dit nieuwe proces is echter over het algemeen niet geaccepteerd door commerciële fabrikanten.

Elektrische contacten plaatsen

• 7 Elektrische contacten verbinden elke zonnecel met elkaar en met de ontvanger van de geproduceerde stroom. De contacten moeten erg dun zijn (in ieder geval aan de voorkant) om het zonlicht naar de cel niet te blokkeren. Metalen zoals palladium/zilver, nikkel of koper worden vacuüm verdampt Deze illustratie toont de samenstelling van een typische zonnecel. De cellen zijn ingekapseld in ethyleenvinylacetaat en geplaatst in een metalen frame met een achterplaat van mylar en een glazen deksel. door een fotoresist, gezeefdrukt of gewoon aangebracht op het blootgestelde deel van cellen die gedeeltelijk zijn bedekt met was. Bij alle drie de methoden wordt een systeem gebruikt waarbij het deel van de cel waarop geen contact gewenst is, wordt beschermd, terwijl de rest van de cel wordt blootgesteld aan het metaal.
• 8 Nadat de contacten op hun plaats zijn, worden dunne stroken ("vingers") tussen de cellen geplaatst. De meest gebruikte strips zijn vertind koper.

De antireflectiecoating

• 9 Omdat puur silicium glanzend is, kan het tot 35 procent van het zonlicht reflecteren. Om de hoeveelheid zonlicht die verloren gaat te verminderen, wordt er een antireflectiecoating op de siliconenwafel aangebracht. De meest gebruikte coatings zijn titaniumdioxide en siliciumoxide, hoewel er ook andere worden gebruikt. Het materiaal dat voor de coating wordt gebruikt, wordt ofwel verwarmd totdat de moleculen ervan afkoken en naar het silicium reizen en condenseren, of het materiaal ondergaat sputteren. Daarbij stoot een hoge spanning moleculen van het materiaal en zet ze af op het silicium bij de tegenoverliggende elektrode. Nog een andere methode is om het silicium zelf te laten reageren met zuurstof- of stikstofbevattende gassen om siliciumdioxide of siliciumnitride te vormen. Commerciële fabrikanten van zonnecellen gebruiken siliciumnitride.

De cel inkapselen

• 10 De afgewerkte zonnecellen worden vervolgens ingekapseld; dat wil zeggen, verzegeld in siliconenrubber of ethyleenvinylacetaat. De ingekapselde zonnecellen worden vervolgens in een aluminium frame geplaatst met een mylar- of tedlar-achterplaat en een glazen of plastic hoes.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole is belangrijk bij de fabricage van zonnecellen, omdat discrepantie in de vele processen en factoren de algehele efficiëntie van de cellen nadelig kan beïnvloeden. Het primaire onderzoeksdoel is manieren te vinden om de efficiëntie van elke zonnecel gedurende een langere levensduur te verbeteren. Het Low Cost Solar Array Project (geïnitieerd door het Amerikaanse ministerie van Energie in de late jaren 1970) sponsorde particulier onderzoek dat tot doel had de kosten van zonnecellen te verlagen. Het silicium zelf wordt getest op zuiverheid, kristaloriëntatie en soortelijke weerstand. Fabrikanten testen ook op de aanwezigheid van zuurstof (wat de sterkte en weerstand tegen kromtrekken beïnvloedt) en koolstof (wat defecten veroorzaakt). Afgewerkte siliconenschijven worden geïnspecteerd op eventuele schade, schilfering of buiging die kan zijn opgetreden tijdens het zagen, polijsten en etsen.

Tijdens het hele productieproces van siliciumschijven worden de temperatuur, druk, snelheid en hoeveelheden doteermiddelen continu gecontroleerd. Ook worden er maatregelen genomen om onzuiverheden in de lucht en op werkoppervlakken tot een minimum te beperken.

De voltooide halfgeleiders moeten vervolgens elektrische tests ondergaan om te zien of de stroom, spanning en weerstand voor elk aan de juiste normen voldoen. Een eerder probleem met zonnecellen was de neiging om te stoppen met werken als ze gedeeltelijk in de schaduw stonden. Dit probleem is verholpen door te voorzien in shuntdiodes die gevaarlijk hoge spanningen naar de cel verminderen. Shuntweerstand moet dan worden getest met behulp van gedeeltelijk beschaduwde kruispunten.

Een belangrijke test van zonnemodules is om testcellen te voorzien van omstandigheden en intensiteit van licht die ze onder normale omstandigheden zullen tegenkomen en vervolgens te controleren of ze goed presteren. De cellen worden ook blootgesteld aan hitte en kou en getest op trillingen, draaien en hagel.

De laatste test voor zonnepanelen is het testen op locatie, waarbij afgewerkte modules worden geplaatst waar ze daadwerkelijk zullen worden gebruikt. Dit levert de onderzoeker de beste gegevens op voor het bepalen van het rendement van een zonnecel onder omgevingsomstandigheden en de effectieve levensduur van de zonnecel, de belangrijkste factoren.

De Toekomst

Gezien de huidige staat van relatief dure, inefficiënte zonnecellen, kan de toekomst er alleen maar beter op worden. Sommige deskundigen voorspellen dat het tegen het jaar 2000 een industrie van miljarden dollars zal zijn. Deze voorspelling wordt ondersteund door bewijs dat er meer fotovoltaïsche systemen op daken worden ontwikkeld in landen als Japan, Duitsland en Italië. In Mexico en China zijn plannen gemaakt om met de productie van zonnecellen te beginnen. Evenzo bouwen Egypte, Botswana en de Filippijnen (alle drie bijgestaan ​​door Amerikaanse bedrijven) fabrieken voor de productie van zonnecellen.

Het meeste huidige onderzoek is gericht op het verlagen van de kosten van zonnecellen of het verhogen van de efficiëntie. Innovaties in zonneceltechnologie omvatten het ontwikkelen en produceren van goedkopere alternatieven voor de dure kristallijne siliciumcellen. Deze alternatieven omvatten zonnevensters die fotosynthese nabootsen, en kleinere cellen gemaakt van kleine, amorfe siliciumballen. Nu al winnen amorf silicium en polykristallijn silicium aan populariteit ten koste van monokristallijn silicium. Extra innovaties, waaronder het minimaliseren van schaduw en het focussen van zonlicht door prismatische lenzen. Het gaat om lagen van verschillende materialen (met name galliumarsenide en silicium) die licht met verschillende frequenties absorberen, waardoor de hoeveelheid zonlicht die effectief wordt gebruikt voor elektriciteitsproductie toeneemt.

Enkele experts voorzien de aanpassing van hybride woningen; dat wil zeggen, huizen die gebruik maken van zonneboilers, passieve zonneverwarming en zonnecellen voor verminderde energiebehoeften. Een ander beeld betreft de spaceshuttle die steeds meer zonnepanelen in een baan om de aarde plaatst, een zonne-energiesatelliet die stroom naar de zonneparken van de aarde straalt, en zelfs een ruimtekolonie die zonnepanelen gaat vervaardigen voor gebruik op aarde.