Hoe werkt een fotovoltaïsche cel?

Fotovoltaïsche cellen, ook bekend als zonnecellen, zijn de belangrijkste componenten van zonnepanelen. Ze zetten zonlicht om in elektriciteit door middel van het fotovoltaïsche effect. In dit artikel duiken we dieper in de wetenschap achter fotovoltaïsche cellen en leggen we uit hoe ze werken om zonne-energie op te wekken.

Wat is een fotovoltaïsche cel?

Een fotovoltaïsche cel, ook wel zonnecel genoemd, is een elektronisch apparaat dat zonlicht omzet in elektrische energie door middel van het fotovoltaïsche effect. Het bestaat meestal uit halfgeleidermateriaal, zoals silicium, dat de energie van licht absorbeert en elektronen losmaakt.

Wanneer deze elektronen vrijkomen, ontstaat er een elektrische stroom die kan worden gebruikt om apparaten van stroom te voorzien of terug te leveren aan het elektriciteitsnet. Fotovoltaïsche cellen vormen de basis van zonnepanelen, die op grote schaal worden gebruikt om duurzame en hernieuwbare zonne-energie op te wekken.

Waaruit bestaat een fotovoltaïsche cel?

Een fotovoltaïsche cel bestaat uit verschillende lagen en materialen die samenwerken om zonlicht om te zetten in elektrische energie. De belangrijkste componenten van een fotovoltaïsche cel zijn:

1. Halfgeleidermateriaal: Dit is het belangrijkste actieve materiaal in de cel, meestal gemaakt van silicium (monokristallijn of polykristallijn). Andere halfgeleidermaterialen, zoals galliumarsenide of perovskiet, worden ook gebruikt in sommige geavanceerde zonnecel technologieën. Het halfgeleidermateriaal absorbeert licht en maakt elektronen los door het fotovoltaïsche effect.
2. P-type en N-type lagen: Het halfgeleidermateriaal wordt gedoteerd met verschillende onzuiverheden om twee lagen te creëren: de P-type laag en de N-type laag. De P-type laag heeft een tekort aan elektronen, waardoor positief geladen ‘gaten’ ontstaan, terwijl de N-type laag een overschot aan elektronen heeft. Deze lagen vormen een zogenaamd p-n-junctie, waar een elektrisch veld ontstaat.
3. Antireflecterende coating: Deze dunne laag wordt op de bovenkant van de cel aangebracht om de reflectie van zonlicht te verminderen en de lichtabsorptie te verhogen.
4. Metalen contacten: Aan de voor- en achterkant van de cel zijn metalen contacten aangebracht, meestal in de vorm van dunne vingers en een raster. Deze contacten zorgen voor de elektrische verbinding en maken het mogelijk om de opgewekte elektrische stroom uit de cel te halen.
5. Beschermende laag: De cel wordt vaak bedekt met een beschermende laag, zoals glas of een kunststof folie, om het tegen weersinvloeden en mechanische schade te beschermen.

Al deze componenten werken samen om zonlicht om te zetten in elektriciteit, die vervolgens kan worden gebruikt om apparaten van stroom te voorzien of terug te leveren aan het elektriciteitsnet.

Werking van fotovoltaïsche cellen

Fotovoltaïsche cellen zijn meestal gemaakt van silicium, een halfgeleidermateriaal. Wanneer zonlicht in de vorm van fotonen op het silicium valt, worden elektronen losgemaakt van hun atomen. Deze vrijgemaakte elektronen beginnen te bewegen, waardoor er een elektrische stroom ontstaat. Dit proces staat bekend als het fotovoltaïsche effect.

Er zijn twee lagen silicium in een fotovoltaïsche cel: de n-type laag en de p-type laag. De n-type laag heeft een overschot aan elektronen, terwijl de p-type laag elektronen mist, waardoor er positief geladen ‘gaten’ ontstaan. Wanneer de twee lagen met elkaar in contact komen, ontstaat er een elektrisch veld op het grensvlak. Dit elektrische veld zorgt ervoor dat de vrijgemaakte elektronen in één richting bewegen, waardoor er een elektrische stroom ontstaat.

Voordelen van fotovoltaïsche cellen

Fotovoltaïsche cellen, die de basis vormen van zonnepanelen, bieden verschillende voordelen:

1. Hernieuwbare energiebron: Fotovoltaïsche cellen zetten zonne-energie om in elektriciteit, wat een hernieuwbare en overvloedig beschikbare energiebron is. Dit maakt het een duurzaam alternatief voor fossiele brandstoffen die eindig zijn en bijdragen aan klimaatverandering.
2. Milieuvriendelijk: Zonnepanelen veroorzaken tijdens hun werking geen schadelijke emissies of geluidsoverlast. Ze helpen de uitstoot van broeikasgassen te verminderen en dragen bij aan een schoner milieu.
3. Energie-onafhankelijkheid: Fotovoltaïsche cellen stellen huiseigenaren, bedrijven en gemeenschappen in staat om hun eigen elektriciteit op te wekken, waardoor ze minder afhankelijk worden van het elektriciteitsnet en energiebedrijven. Dit kan leiden tot lagere energierekeningen en een verhoogde energiezekerheid.
4. Modulair en schaalbaar: Fotovoltaïsche systemen zijn modulair en kunnen eenvoudig worden aangepast aan de beschikbare ruimte en energiebehoeften. Ze kunnen worden geïnstalleerd op daken, gevels, of op de grond, en kunnen worden uitgebreid naarmate de energiebehoeften toenemen.
5. Lage onderhoudskosten: Zonnepanelen hebben over het algemeen weinig onderhoud nodig, omdat er geen bewegende delen zijn die aan slijtage onderhevig zijn. Het belangrijkste onderhoud is het regelmatig schoonmaken van de panelen om ervoor te zorgen dat ze optimaal zonlicht blijven absorberen.
6. Lange levensduur: Fotovoltaïsche cellen en zonnepanelen hebben een lange levensduur, meestal tussen de 25 en 30 jaar. Hoewel de efficiëntie van de panelen in de loop van de tijd enigszins afneemt, blijven ze nog steeds elektriciteit opwekken.
7. Financiële stimulansen: In veel landen zijn er financiële stimulansen, zoals subsidies, belastingkredieten of feed-in-tarieven, om de adoptie van zonne-energie te bevorderen. Dit kan de initiële investeringskosten verlagen en de terugverdientijd van een zonne-energiesysteem verkorten.

Samenvattend bieden fotovoltaïsche cellen een duurzame, milieuvriendelijke en economisch aantrekkelijke manier om elektriciteit op te wekken, wat bijdraagt aan een schoner milieu en een grotere energie-onafhankelijkheid.

Veelgestelde vragen