De zon als energiebron, wie kent het niet? Zonnepanelen sieren steeds vaker onze daken en dragen bij aan een groenere wereld. Maar hoe werkt zo’n zonnepaneel nu technisch gezien precies? Als technisch onderlegde persoon ben je waarschijnlijk nieuwsgierig naar de onderliggende principes. Laten we de fascinerende wereld van fotovoltaïsche technologie induiken!

Hoe werkt een zonnepaneel technisch gezien?

In de kern is een zonnepaneel een slimme samenstelling van halfgeleidermateriaal, meestal silicium, dat in staat is om zonlicht direct om te zetten in elektriciteit. Dit fenomeen heet het fotovoltaïsch effect. Het proces is verrassend elegant, maar vereist wel een aantal specifieke technische concepten.

De kern: de zonnecel

Een zonnepaneel bestaat uit meerdere zonnecellen die met elkaar zijn verbonden. Elke zonnecel is opgebouwd uit dunne laagjes halfgeleidermateriaal. De meest gangbare vorm is het siliciumzonnecel, dat twee typen silicium bevat: P-type en N-type.

Het P-type silicium is ‘gedoteerd’ met atomen die een tekort aan elektronen hebben (vaak boor). Dit creëert zogenaamde ‘gaten’, positieve ladingsdragers. Het N-type silicium is gedoteerd met atomen die juist een overschot aan elektronen hebben (vaak fosfor), waardoor er vrije elektronen zijn, negatieve ladingsdragers.

De P-N junctie: het kloppend hart

Wanneer deze twee typen silicium met elkaar in contact komen, ontstaat aan het grensvlak een P-N junctie. Op dit grensvlak diffunderen vrije elektronen van het N-type naar de gaten in het P-type. Dit creëert een elektrisch veld dat de vrije ladingdragers scheidt. Dit elektrische veld fungeert als een barrière: het voorkomt dat elektronen en gaten elkaar gemakkelijk weer vinden. ✅

Het fotovoltaïsch effect in actie

Wanneer zonlicht, bestaande uit fotonen, op de zonnecel valt, worden deze fotonen geabsorbeerd door het siliciummateriaal. Als een foton voldoende energie heeft, kan het een elektron uit zijn atoombinding losmaken. Hierdoor ontstaat een vrij elektron en een ‘gat’.

Het elektrische veld in de P-N junctie speelt nu zijn cruciale rol. Het duwt de vrijgekomen elektronen naar de N-zijde van de cel en de gaten naar de P-zijde. Dit creëert een potentiaalverschil, oftewel een spanning.

Elektriciteit opwekken

Aan de boven- en onderkant van de zonnecel bevinden zich metalen geleiders, die de verzamelde elektronen opvangen. Wanneer deze geleiders met een extern circuit worden verbonden, bijvoorbeeld een lamp of een omvormer, kunnen de elektronen van de N-zijde naar de P-zijde stromen om de gaten op te vullen. Deze gecontroleerde stroom van elektronen is wat we kennen als elektrische stroom (gelijkstroom of DC).

Om deze gelijkstroom bruikbaar te maken voor onze huishoudelijke apparaten, die meestal op wisselstroom (AC) werken, is een omvormer (inverter) noodzakelijk. Deze zet de DC-stroom van de zonnepanelen om in AC-stroom die direct in huis gebruikt kan worden of aan het elektriciteitsnet geleverd kan worden.

Verschillende soorten zonnecellen

Hoewel silicium de meest gebruikte halfgeleider is, zijn er verschillende types zonnecellen:

• Monokristallijn silicium: Gemaakt van één enkel kristal silicium. Deze cellen hebben een hoge efficiëntie en een kenmerkende donkere kleur. Ze zijn doorgaans duurder in productie.
• Polykristallijn silicium: Gemaakt van meerdere siliciumkristallen. Ze zijn goedkoper te produceren, maar hebben een iets lagere efficiëntie dan monokristallijn cellen. De kleur is vaak blauwig met zichtbare kristalranden.
• Dunne-film zonnecellen: Deze cellen worden geproduceerd door dunne lagen halfgeleidermateriaal op een substraat (zoals glas of kunststof) aan te brengen. Ze zijn flexibeler en lichter, maar hebben over het algemeen een lagere efficiëntie en zijn minder bekend bij consumenten voor thuisgebruik.

Technische aspecten en uitdagingen

Voor jou als technisch professional zijn de prestaties en de levensduur van zonnepanelen belangrijke aandachtspunten. Verschillende factoren spelen hierin een rol:

• Efficiëntie: De efficiëntie van een zonnecel geeft aan welk percentage van het invallende zonlicht wordt omgezet in elektriciteit. Moderne zonnecellen voor consumententoepassingen hebben typisch een efficiëntie tussen de 17% en 22%.
• Temperatuur: De prestaties van zonnepanelen nemen af bij hogere temperaturen. Dit komt doordat de interne weerstand van het halfgeleidermateriaal toeneemt, waardoor de opbrengst iets vermindert. Een goede ventilatie achter de panelen is dus belangrijk. ⚡
• Degradatie: Zonnepanelen degraderen over tijd, wat betekent dat hun opbrengst langzaam afneemt. Fabrikanten geven vaak garantie op de prestaties, bijvoorbeeld 80% van de oorspronkelijke opbrengst na 25 jaar.
• Schaduw: Zelfs gedeeltelijke schaduw op een zonnepaneel kan de opbrengst van het hele paneel (en soms zelfs van een hele rij panelen) significant beïnvloeden. Dit komt doordat de zonnecellen in serie zijn geschakeld.

Veelvoorkomende problemen met zonnepanelen

Hoewel zonnepanelen over het algemeen betrouwbaar zijn, kunnen er toch problemen optreden. Hieronder een overzicht:

Toekomstperspectieven

De technologie van zonnepanelen blijft zich ontwikkelen. Er wordt continu onderzoek gedaan naar hogere efficiënties, langere levensduren en lagere productiekosten. Innovaties op het gebied van perovskiet zonnecellen en tandemcellen (combinaties van verschillende halfgeleidermaterialen) beloven de efficiëntie verder te verhogen en de toepassing van zonne-energie nog breder te maken.

Voor jou als technisch professional liggen er volop kansen. Denk aan het optimaliseren van systeemontwerpen, het ontwikkelen van geavanceerde monitoring- en beheersystemen, of het bijdragen aan de productie-innovatie van deze duurzame energieopwekkers. De energietransitie biedt een enorm speelveld voor technische expertise.

Hoe werkt een zonnepaneel technisch gezien?

Zonnepanelen zetten zonlicht via het fotovoltaïsch effect om in elektriciteit door middel van halfgeleidermateriaal (meestal silicium) en een P-N junctie. Wanneer fotonen zonlicht op de zonnecel vallen, worden elektronen losgemaakt. Het elektrische veld in de P-N junctie scheidt deze ladingdragers, waardoor een spanningsverschil ontstaat. Deze gelijkstroom wordt vervolgens door een omvormer omgezet in bruikbare wisselstroom voor onze woningen en het elektriciteitsnet.