Zo zetten zonnepanelen zonlicht echt om in stroom

Elke seconde bereikt ongeveer 430 triljoen joule aan energie van de zon het aardoppervlak. Je zonnepanelen vangen daar een klein deel van op en zetten het om in elektriciteit, zonder bewegende delen, verbranding of lawaai. Maar hoe werkt dat?

Het antwoord ligt op het snijvlak van kwantumfysica en halfgeleidertechniek. Geen zorgen: je hebt geen natuurkundestudie nodig. We lopen het stap voor stap door.

Het begint met een foton

Zonlicht is geen continue stroom energie. Het komt aan in losse pakketjes, fotonen genoemd: kleine bundels elektromagnetische energie, elk met een eigen hoeveelheid die afhangt van de golflengte. Blauwe fotonen dragen meer energie dan rode. Infrarode fotonen dragen minder dan beide.

Dat is belangrijk, want een zonnecel kan alleen fotonen gebruiken boven een bepaalde energiedrempel. Voor silicium, het materiaal in meer dan 95% van alle zonnepanelen wereldwijd, ligt die drempel rond 1,1 elektronvolt (eV), wat overeenkomt met nabij-infrarood licht. Alles daaronder gaat dwars door de cel heen alsof die er niet is.

Het halfgeleidersandwich

Een zonnecel is in feite een dunne plak silicium die bewust is “gedoteerd”: er zijn kleine hoeveelheden andere elementen aan toegevoegd om de elektrische eigenschappen te veranderen.

De bovenste laag is gedoteerd met fosfor, dat één elektron meer heeft dan silicium. Daardoor ontstaat een overvloed aan vrije elektronen. Dat noemen we n-type silicium (n van negatieve ladingdragers).

De onderste laag is gedoteerd met boor, dat één elektron minder heeft. Daardoor ontstaan “gaten”: plekken waar een elektron zou kunnen zitten maar niet zit. Dat is p-type silicium (p van positieve ladingdragers).

Waar deze twee lagen elkaar raken, gebeurt iets bijzonders. Elektronen van de n-kant drijven over om gaten aan de p-kant te vullen, en zo ontstaat een dunne zone met een ingebouwd elektrisch veld. Dit is de p-n-overgang, de motor van elke zonnecel.

Het fotovoltaïsche effect

Als een foton met genoeg energie het silicium raakt, slaat het een elektron los uit zijn atoombinding. Zo ontstaat een elektron-gatpaar: een vrij elektron en een lege plek.

Dit is de kern: het elektrische veld bij de p-n-overgang werkt als een poortje met één richting. Het veegt het vrijgekomen elektron naar de n-kant en het gat naar de p-kant. Die scheiding van ladingen zorgt voor spanning, de elektrische druk die stroom aandrijft.

Verbind de bovenkant van de cel met de onderkant via een draad (door de elektrische installatie van je huis), en er gaan elektronen stromen: dat is elektriciteit. Het elektron komt uiteindelijk weer terug om een gat te vullen, de energie van het foton is omgezet in nuttig werk, en de cyclus gaat door zolang er licht blijft komen.

Dit is het fotovoltaïsche effect, voor het eerst waargenomen door Edmond Becquerel in 1839 en pas in 1954 praktisch toegepast bij Bell Labs.

Van cel naar bruikbaar vermogen

Een enkele siliciumcel levert ongeveer 0,5-0,6 volt, te weinig om iets mee te doen. Daarom worden cellen in serie (om spanningen op te tellen) en parallel (om stromen op te tellen) geschakeld tot een module: wat je op je dak ziet.

Een gangbare woningmodule bestaat uit 60 of 72 cellen en levert 30-40 volt gelijkstroom (DC). Je huis werkt op wisselstroom (AC) van 230 V (in Europa) of 120 V (in Noord-Amerika), dus een omvormer zet de DC-uitvoer van de panelen om in AC die geschikt is voor het net.

De route is: foton → vrij elektron → gelijkstroom → omvormer → wisselstroom → je apparaten.

Wat er onderweg verloren gaat

Niet al het zonlicht wordt elektriciteit. Een standaard siliciumpaneel zet maar ongeveer 18-22% van de binnenkomende zonne-energie om. Waar blijft de rest?

Fotonen onder de bandgap (ongeveer 19% van het zonlicht) hebben te weinig energie om elektronen los te maken. Ze gaan erdoorheen of worden als warmte geabsorbeerd.

Thermalisatieverliezen (ongeveer 33%) ontstaan wanneer energierijke fotonen (blauw, uv) wel een elektron losmaken maar meer energie hebben dan nodig. Dat overschot wordt warmte in de cel.

Recombinatie gebeurt wanneer vrijgekomen elektronen terugvallen in gaten voordat ze het circuit bereiken. Productiekwaliteit en celontwerp beperken dit, maar kunnen het niet helemaal voorkomen.

Reflectie en schaduw kosten nog een paar procent, al helpen antireflectiecoatings en getextureerde oppervlakken daartegen.

Elektrische weerstand in de metalen contacten en bedrading verbruikt een klein deel als warmte.

Het theoretische maximum voor een enkelvoudige siliciumcel is ongeveer 29,4% (de Shockley-Queisser-limiet). De beste laboratoriumcellen hebben 26,8% gehaald. Je panelen op het dak komen dus opvallend dicht bij wat de natuurkunde toestaat.

Waarom dit telt voor prognoses

Wie deze keten begrijpt, van foton naar elektron naar vermogen, ziet waarom een nauwkeurige opbrengstprognose een natuurkundig probleem is en niet alleen een statistisch probleem.

De hoeveelheid stroom die je panelen leveren hangt af van hoeveel bruikbare fotonen het celoppervlak bereiken en hoe efficiënt de cel ze omzet bij de actuele temperatuur. Beide worden bepaald door natuurwetten die je kunt modelleren.

Het spectrum van het binnenkomende licht verandert met de atmosferische omstandigheden. Het rendement van de cel verschuift met de temperatuur. De invalshoek speelt mee. Dit alles is te berekenen als je de natuurkunde kent.

Precies dat doet Volcast. In plaats van de toekomstige opbrengst te raden uit historische patronen, simuleert Volcast de fysieke keten, van atmosferische omstandigheden via instralingsmodellering tot het gedrag op celniveau, voor jouw specifieke installatie.