3. Zonne-energie 10

VTI Kortrijk – Gullegem – Harelbeke
Beekstraat 21
8500
KORTRIJK
Afdeling 6de Industriële Wetenschappen
Geïntegreerde proef:
Zonne-energie
Pablo Six
Simon Delusinne
2012-2013
1
2
Woord vooraf
Als laatstejaarsleerlingen in de industriële wetenschappen kregen we het uitwerken
van een geïntegreerde proef (gip) tot opdracht.
Omdat deze gip een groot onderdeel vormt van onze studies was het niet eenvoudig
een gepast onderwerp te kiezen. Na druk overleg en heen en weer communiceren
kozen we er uiteindelijk voor, een eindwerk te maken over de zonne-energie.
Het verzamelen van informatie nam veel tijd in beslag, maar het was een heel
boeiende taak. De verwerking ervan was niet vanzelfsprekend, aangezien er vaak
tegenstrijdige gegevens te vinden waren op het internet.
Gelukkig kregen we hulp van verscheidene personen die we hier extra willen
bedanken. Hun gewaardeerde hulp en steun hebben ons veel vooruit gebracht en
aangemoedigd bij deze interessante opdracht.
Onze mentor, dhr. Folens, adviseerde ons vaak bij de structuur van onze gip en hij
liet ons heel wat gepast materiaal gebruiken. Hij heeft onze vorderingen nauwlettend
geëvalueerd en indien nodig bijgestuurd.
Eveneens dank aan dhr. Eggermont voor het printen van het didactisch paneel en de
vele vrije lesuren die we kregen om ons te verdiepen in ons eindwerk.
Mevrouw Lebbe heeft ons gewezen op de taal- en grammaticafouten, waarvoor
eveneens hartelijk dank.
Tenslotte willen we ook onze ouders bedanken voor het nalezen van de teksten.
ZON doet leven en van de ENERGIE die ze ons schenkt maken we graag gebruik!
Veel leesgenot.
3
4
Inhoudstafel
1. Inleiding ......................................................................................................... 7
2. Historiek ......................................................................................................... 8
3. Zonne-energie ............................................................................................. 10
3.1. Passieve zonne-energie ...................................................................... 10
3.2. Actieve zonne-energie ......................................................................... 10
4. Zonnecellen ................................................................................................. 11
4.1. Zonnecel: begrip en onderdelen .......................................................... 11
4.2. Het fotovoltaïsch effect ........................................................................ 12
4.3. Hoe wordt nu een fotovoltaïsche cel gemaakt? .................................. 13
4.3.1. Licht ............................................................................................. 17
4.3.2. N- en p-type elementen ............................................................... 20
4.3.2.1. N-type element .................................................................... 20
4.3.2.2. P-type element .................................................................... 21
4.3.3. Lichtinval op het n-type ................................................................ 22
4.3.4. Geleider, isolator, halfgeleider ..................................................... 23
4.3.4.1. Geleider en isolatoren ......................................................... 23
4.3.4.2. Halfgeleider ......................................................................... 24
4.3.5. Soorten cellen .............................................................................. 27
4.3.5.1. Monokristallijne cellen ......................................................... 27
4.3.5.2. Polykristallijne cellen ........................................................... 27
5
5. Zonnepaneel ................................................................................................ 28
5.1. Het zonnepaneel ................................................................................. 28
5.1.1. Fabricage van een zonnepaneel ................................................. 29
5.1.2. Schakelen van de zonnecellen .................................................... 32
5.1.2.1. Parallel schakelen van zonnecellen .................................... 32
5.1.2.2. Serie schakelen van zonnecellen ........................................ 33
5.2. De componenten ................................................................................. 34
5.2.1. De zonnecellen ............................................................................ 34
5.2.2. De bypassdiode ........................................................................... 34
6. Praktische realisaties ................................................................................... 36
6.1. Halfgeleiding van een fotovoltaïsche cel ............................................. 36
6.2. De U I karakteristiek van een zonnepaneel benaderen ...................... 40
7. Bronvermeldigen.......................................................................................... 51
6
1. Inleiding
Zonne-energie is het belangrijkste element dat het leven mogelijk maakt op aarde.
De zon bezorgt ons in de eerste plaats de vereiste warmte. Bovendien is het dankzij
de zonne-energie dat de planten uit de “giftige” koolstofdioxide die aanwezig is in de
lucht, de voor ons onontbeerlijke zuurstof vrij maken. Ze waarborgt het bestaan van
de meeste planten, van de regen en van de rivieren. En die opsomming is praktisch
onbegrensd. Zo bijvoorbeeld wordt de vitamine D opgebouwd onder de huid van de
mens dank zij het zonnelicht.
Tijdens de laatste decennia hebben de mensen steeds meer energie nodig. De
bronnen variëren van fossiele brandstof tot kernenergie.
Door de steeds stijgende milieuproblematiek zoekt men naar hernieuwbare
energiebronnen die het milieu minder aantasten: windmolens, waterkrachtcentrales,
geometrische energie, getijdenenergie enz. Sinds kort wordt de zonne-energie door
de mens ook op grote schaal omgezet in elektriciteit.
Een zonnepaneel bestaat uit een aantal zonnecellen die onderling met elkaar
verbonden zijn. Hoe kan men, aan de hand van deze panelen -die amper een paar
centimeters dik zijn - zonne-energie omvormen in elektrische energie? Dat proces,
het fotovoltaïsch effect, bespreken we verder.
In het eerste deel wordt het thema zonne-energie uitgelegd.
Daarna bespreken we de samenstelling en de werking van een zonnecel en wat de
rol van het zonnelicht daarbij is.
Ten slotte behandelen we het fabricageproces van een zonnecel en een
zonnepaneel.
Aan de hand van praktische uitvoeringen verklaren we een paar van de besproken
theorieën meer in detail.
7
2. Historiek
De geschiedenis van het zonnepaneel ving aan in het jaar 1839. Toen ontdekte de
Franse fysicus Antoine César Becquerel het fotovoltaisch effect. Bij het uitvoeren van
een experiment rond een elektrolytische cel, stelde hij per toeval vast dat het licht uit
de omgeving, een verhoogde waarde van elektriciteit ten gevolge had.
Pas 44 jaar later slaagde de Amerikaanse wetenschapper Charles Fritts er in, de
eerste zonnecel te bouwen. Ze bestond uit bladen halfgeleidende selenium, afgedekt
met een extreem dun laagje goud. Maar zijn zonnecel kon slechts 1% van het licht
omzetten in stroom. Uiteraard een reden waarom vele wetenschappers met
zonnecellen gingen experimenteren, onder meer om het rendement ervan te
verhogen.
In 1887 ontdekte Heinrich Herzt dan het foto-elektrisch effect, waarbij het licht direct
omgezet wordt in elektriciteit. Het is de Russische natuurkundige Aleksandr Stoletov
die de eerste zonnecel ontworpen heeft, steunend op dat principe.
In 1891 vroeg de uitvinder Clarence Kemp een patent aan voor het eerste
commercieel toestel dat water verwarmde, dank zij de zonne-energie. Het is ook in
deze periode dat Albert Einstein zijn thesis publiceerde over het foto-elektrisch effect.
In 1921 kreeg hij daarvoor de Nobelprijs voor de natuurkunde. Wiliam Bailey vond
dan wat later ook de eerste zonnecollector uit, opgebouwd uit een paar koperen
rollen in een geïsoleerde doos.
In 1941 patenteerde de Amerikaan Russell Ohl de eerste zonnecel gemaakt met
silicium. In het bedrijf waar Ohl werkte, werden in 1954 uiteindelijk de eerste
zonnepanelen ontworpen met een kristallijn silicium structuur. Deze zonnecellen
bereikten bij het omzetten van de energie een rendement van vier procent. Door
silicium te mengen met arseen bekwamen andere wetenschappers een cel met een
rendement van ongeveer zes procent.
Om satellieten in de ruimte van energie te kunnen voorzien, moest voor het eerst de
zonne-energie op grote schaal gebruikt worden. Vermits de overheid van de
Verenigde Staten daarom het onderzoek naar zonne-energie aanmoedigde, kwam er
een versnelling in het ontwikkelingsproces. In de jaren 80 kon al een zonnecel
gemaakt worden met een rendement van 20 procent. Reeds 20 jaar later werd een
zonnecel met een rendement van 24 procent ontworpen. Vanaf het najaar van 2007
beheersten twee bedrijven nl Spectrolab en Emcore Photovoltaics het produceren
van zonne-energie. Ze hebben in 2012 zonnecellen ontworpen met een rendement
van 28 procent.
8
De theoretische limiet is 34 procent. Momenteel is er een zonnecel ontworpen,
opgebouwd uit superdunne nanodraadjes die waarschijnlijk die grens zal doorbreken.
Alleen een groot probleem voor de gewone verbruiker: de kostprijs zal (vermoedelijk)
heel hoog liggen.
Het onderzoek naar de ontwikkeling van “gewone” zonnecellen met een hoger
rendement en lagere productiekosten, door elke consument betaalbaar, zal daarbij
niet stilvallen.
9
3. Zonne-energie
3.1
Passieve zonne-energie
Passieve zonne-energie kan gebruikt worden om gebouwen te verwarmen. Hierbij
wordt er geen gebruik gemaakt van speciale apparatuur. Een voorbeeld hiervan zijn
broeikassen en serres. Bij het bouwen van een huis houdt men zoveel mogelijk
rekening met het invallend zonnelicht en met de oriëntatie van de grote ramen naar
het zuiden en kleine of geen vensters naar het noorden.
3.2
Actieve zonne-energie
Bij actieve zonne-energie wordt gebruik gemaakt van speciale apparatuur om de
energie van de zonnestralen op te vangen en ( meestal) om te zetten.
Enkele voorbeelden:
Voor elektrische energie zijn fotovoltaïsche cellen nodig.
Voor warmte-energie gebruikt men een zonnecollector.
Het gebruik van zonneparabolen bij kinetische energie.
10
4. Zonnecellen
4.1
Zonnecel : begrip en onderdelen
De zonnecel is een onderdeel van een zonnepaneel. Hoe zo een zonnepaneel
precies in elkaar zit, komt later aan bod. Een zonnecel bestaat uit een p-type
element, een n-type element en een pn-junctie of ook halfgeleider genoemd. Deze
halfgeleider is geen extra laag maar ontstaat eenvoudig door het contact tussen het
n-type en p-type. In een zonnecel horen ook een anti-reflectiefilm en eveneens 2
elektroden voor de stroomgeleiding.
(meer uitleg over het p- en n-type: zie bladzijde 18 en 19)
11
4.2
Het fotovoltaïsch effect
Het fotovoltaïsch effect is het effect dat er voor zorgt dat zonne-energie omgevormd
wordt in elektrische energie. De lichtstralen geven energie af aan de elektronen van
de bovenste laag. Deze elektronen gaan naar de onderste p-type laag. Door de pnjunctie kunnen deze elektronen echter niet terug naar de bovenste laag.
Er ontstaat bijgevolg een grotere concentratie aan elektronen in de onderste laag.
Met andere woorden : er ontstaat een verschil tussen het aantal elektronen in de
bovenste en onderste elektrode. In de elektriciteitsleer wordt dit een potentiaal
verschil genoemd.
Als men een “verbruiker” plaatst tussen deze 2 elektroden zal er dus een stroom
vloeien naar de bovenste elektrode.
12
4.3 Hoe wordt nu een fotovoltaïsche cel gemaakt?
In de onderstaande figuur wordt schematisch uitgelegd hoe dat in zijn werk gaat. Een
beschrijving volgt op volgende 2 bladzijden.
a: large ingot: grote blok
b: lngot: kleine blok
c: wafer: wafeltje (plakje)
cutting : het snijden
slicing and cleaning: het snijden in schijfjes
en schoonmaken
diffusion of phosphorus: diffusie van
fosfor
d: n-type layer on p-type silicon:
making metal contacts by screen
n-type op p-type silicon
printing: maakt metaalcontacten door
schermdrukken
e: solarcel: zonnecel
laag
vervolg zie pagina 27
13
a. Zand omzetten in silicium-blokken.
Silicium wordt gemaakt uit zand, men verhit zand in een hoogoven op ongeveer 1800
graden Celsius. Door de combinatie van siliciumdioxide en koolstof verkrijgt men 98
procent zuivere silicium.
SiO2 + 2C → Si + 2CO
Maar om een halfgeleider te maken heeft men een nog veel zuivere stof nodig.
14
Deze zuivering bestaat nog eens uit 3 fasen:
1. Men verhit het silicium nogmaals maar nu tot ongeveer 3000 graden Celsius.
Zo zullen de overbodige koolstoffen een binding aangaan tot koolstofmonoxide
en blijft er gezuiverde silicium over van 99 procent.
2. Daarna laat men het silicium reageren met een stof zodat men SiHCl3 verkrijgt.
Deze wordt op zijn beurt gemengd met zoutzuur (HCl). Door destillatie worden
de verontreinigingen opnieuw verwijderd en na een verhitting op correcte
temperatuur van de SiHCl3 molecule ontstaat een zeer zuiver silicium.
3. Dat is echter nog niet genoeg en daarvoor wordt het verkregen gezuiverde
silicium opnieuw verhit tot deze vloeibaar wordt. Dat wordt enkel op één
bepaalde plaats van de blok gedaan want het grootste deel van de
vervuilende delen lost beter op in het vloeibare gedeelte en worden dus op
deze plaats geconcentreerd. Men snijdt het vervuilde topje af en zo krijgt men
een zeer zuivere siliciumblok met maar liefst een zuiverheid van 99,99%.
b. Deze blokken worden opnieuw versneden in kleinere blokken silicium die
ongeveer de grote hebben van een zonnecel.
c. Van deze blokken worden dan dunne plakjes gevormd. Dit kan gebeuren op twee
verschillende manieren, naargelang de kwaliteit die men wilt bekomen.
1. Monokristallijn silicium wordt vaak via het Czochralski-proces geproduceerd.
Er wordt een staaf gestoken in een vat met gesmolten silicium. Men laat de
staaf roteren terwijl zij uit het vat wordt gehaald. De punt van de staaf is een
kristal. Het gesmolten silicium neemt de kristalstructuur van de punt over. Dat
ziet er uit al een cilinder. Daarna wordt de cilinder in plakjes gesneden. Dat
worden de zogenaamde wafels genoemd. Deze zijn cirkelvormig en
bedekken bijgevolg de zonnecel niet volledig. Nog meer zagen zou een te
groot verlies zijn en daarom laat men de hoeken van de zonnecel onbedekt.
Die wafels hebben een dikte van ongeveer 0,3 millimeter.
Silver cellen zijn uiterst dunne plakjes monokristallijn silicium. Deze plakjes
zijn zo dun dat er nog licht wordt doorgelaten. Ze besparen zodoende veel
materiaal en de cellen werken dubbelzijdig. Er wordt zonlicht van beide kanten
geabsorbeerd.
2. Polykristallijn silicium wordt ook gemaakt van vloeibaar silicium dat men deze
maal in een vierkante vorm giet en laat afkoelen. Dit productieproces is
eenvoudiger en dus ook goedkoper. De gietvormen worden langzaam in vaste
vorm gekoeld tot grote blokken silicium. Er bevinden zich nu donkere vlekken
op de silicium blokken en deze worden de ongestructureerde smeltplekken
15
genoemd. De kristallen sluiten minder goed aan en daardoor is het rendement
van deze blokken ook een beetje lager. Van deze blokken worden plakjes
gezaagd van ongeveer 180 tot 350 micrometer dik door middel van een
draadzaag.
Men kan ook gewoon plakjes van het silicium trekken maar door op deze
manier te gaan werken, hebben ze nog een lager rendement dan de
bovenstaande methode om polykristallijne siliciumcellen te maken. Het enige
voordeel dat men hier heeft, is dat er minder afval is want er moet niet
gezaagd worden.
Hieronder vindt men een tabel met de efficiëntie van elk soort zonnecel.
4.3.1 Licht
Licht is een zeer ruim en complex thema. Wij zullen ons concentreren op
lichtenergie, aangezien deze energie nodig is voor het fotovoltaische effect.
Licht wordt gedefinieerd als een elektromagnetische straling.
16
Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte
van elektrische en magnetische trillingen.
E: energie niveau
ƒ: frequentie
h: constante van plank
Invallende lichtstraal met
ƒ1
E1
Weerkaatste lichtstraal
ƒ2
E2
In bovenstaande figuur wordt een invallende lichtstraal vergeleken met de uitvallende
lichtstraal.
Men merkt dat de frequentie van de lichtstraal lager is na de weerkaatsing ƒ1> ƒ2, bij
gevolg zal de energie van de weerkaatste straal lager zijn dan deze van de
invallende. Er is dus een energie verschil ∆E. De verloren energie wordt
geabsorbeerd door de zonnecel. Deze energie is nodig in de pn-junctie.
Het is dus van zelfsprekend dat de weerkaatsing zo klein mogelijk moet zijn. Hoe
kleiner de invalshoek is, hoe minder weerkaatsing er optreedt. Dit heeft dan voor
gevolg dat er minder lichtstralen hun energie kunnen afgeven aan het n-type (zie
puntje 4.2.4). De invalshoek van lichtstralen op de aarde varieert de volledige dag
door. Om het grootste rendement te waarborgen, worden de panelen onder een
vaste hoek geplaatst. Deze gemiddelde invalshoek is gedurende het volledige jaar
minimaal.
17
18
Een andere oplossing is de tracer. In dit geval zijn de zonnepanelen gemonteerd op
een systeem dat meedraait met de zon en zorgt dat de invalshoek zo groot mogelijk
is en dit op ieder ogenblik van de dag.
19
4.3.2
N– en p-type elementen
Onbewerkt silicium geleidt heel weinig stroom. Daarom wordt van zuiver silicium een
half-geleider gemaakt door er een weinig andere chemische producten toe te
voegen. Aan de bovenkant van de “wafel” voegt men bv. fosfor toe en aan de
onderkant bv. borium.
4.3.2.1 N-type element
U kunt een n-type materiaal maken door het zuiver silicium te verontreinigen met een
5 waardig negatief materiaal. Dit element heeft dan 5 valentie elektronen. Hier wordt
de kristalstructuur van silicium gedopeerd met fosfor.
E
E
E
E
E
Een fosfor atoom bevat 15 elektronen
waarvan er zich 5 op de buitenste schil
bevinden.
E
E
E
P
N
E
E
E
E
E
E
E
Fosfor (P)
Door de binding met dit fosfor atoom zullen er opnieuw 4 covalente bindingen
ontstaan en heeft men een 5e relatief vrij elektron (zoals op de tekening hieronder
voorgesteld).
Si
Si
Si
Si
P
Si
Vijfde valentie
elektron
Si
Si
Si
N-donor kristalstructuur
Deze onzuiverheid in de kristalstructuur wordt een donoratoom genoemd. Dus fosfor
is het donoratoom in deze situatie.
20
4.3.2.2 P-type element
U kunt een p-type materiaal maken door het zuiver silicium te verontreinigen met een
3 waardig negatief materiaal. Dit element heeft dan 3 valentie elektronen.
Hier wordt de kristalstructuur gedopeerd met boor.
E
E
Een boor atoom bevat 5 elektronen
waarvan 3 op de buitenste schil.
P
N
E
E
E
Borium (B)
Door de binding met dit boor atoom zullen er opnieuw 3 covalente bindingen
ontstaan en heb je een elektron te kort om met het 4e silicium atoom een binding aan
te gaan. Dit wordt een positief gat genoemd (zoals op de tekening hieronder
voorgesteld).
Si
Si
Si
Si
B
Si
Positief gat
Si
Si
Si
P-acceptor kristalstructuur
Het resulterende p-type materiaal is ook elektrisch
neutraal. Onzuiverheden met 3 valentie-elektronen
worden acceptor atomen genoemd.
21
4.3.3
Lichtinval op het n-type
Als het zonnelicht op de structuur invalt, krijgt, de kristalstructuur van silicium
gedopeerd met fosfor, extra energie. Het foton zorgt er voor dat het elektron op een
hogere schil komt en daardoor meer energie bezit.
Als de zon fel genoeg schijnt, zal er genoeg energie aanwezig zijn om de energie af
te splitsen van het fosfor atoom en zo kan een elektron door de pn-junctie gaan naar
het p-type.
22
4.3.4
Geleider, isolator, halfgeleider
Er bestaan veel soorten geleiders, isolatoren en halfgeleiders. In een zonnecel is de
halfgeleider een van de belangrijkste elementen. Om goed te begrijpen wat een
halfgeleider is, is er toch enige kennis over de geleider en isolator nodig.
4.3.4.1 Geleider en isolatoren
Geleiders zijn meestal elementen met 1 valentie elektron. Dus 1 elektron op de
buitenste schil. Hoe groter de afstand tussen de kern en dat elektron, hoe kleiner de
aantrekkingskracht van de kern op het elektron is.
In een rooster,binding tussen meerdere zelfde atomen, zullen de valentie elektronen
vrij kunnen bewegen in dat rooster. Door een geleider in een elektrisch veld te
plaatsen zullen die elektronen zich voort bewegen in één richting, geleiding.
Isolatoren zijn elementen waar
er geen valentie elektronen zijn
bijgevolg dus ook geen vrije
elektronen.
+
23
4.3.4.2 Halfgeleider
Bij het samenbrengen van de p-junctie en de n-junctie ontstaat er een diffusie van de
“gaten” en de valentie elektronen. Diffusie betekent dat deze elektronen
aangetrokken zijn naar de gaten. Er ontstaat een neutraal gedeelte rond de
contactoppervlakte. Aan de kant van het n-type zullen de valentie elektronen weg zijn
waardoor dat gedeelte weer een neutrale lading zal verkrijgen. Aan de kant van het
p-type zullen de gaten gevuld worden met de valentie elektronen die komen van het
n-type. Hieronder stellen we het proces stap per stap grafisch voor.
Voor dat de diffusie plaats vindt:
Silicium heeft hier geen primaire rol. Hij dient enkel als receptor voor de fosfor- en
boriumatomen.
Aangezien zijn rol enkel structureel is, zal silicium niet meer geïllustreerd worden op
volgende figuren. Enkel de kernen van borium en fosfor evenals de gaten en valentie
elektronen komen hier aan bod.
24
In de contactoppervlakte zullen de valentie elektronen van fosfor de gaten opvullen
van borium en op deze manier ontstaat er in het midden een neutrale zone, meer
bepaald de uitputtingszone genoemd. Bij deze laatste term wijst de term “uitputting”
op het feit dat er geen vrije elektronen en gaten meer zijn.
Uitputtingszone
Deze uitputtingszone is de overgang tussen 2 verschillende energie niveaus in de
halfgeleider. Men kan dat vergelijken met een dal waar de elektronen in het n-type
een hoger energie niveau hebben dan deze in het p-type. Daardoor is de overgang
zeer gemakkelijk te overbruggen van de elektronen van het n-type naar het p-type
vermits het een activatie energie bezit. Bij een zonnepaneel is dat het zonnelicht.
Anderzijds, als de elektronen van het p-type terug naar het n-type willen gaan,
hebben ze niet genoeg energie om dit te kunnen doen.
Elektronen migratie van N-type naar P-type
Elektronen migratie van P-type naar N-type
N-type
P-type
N-type
P-type
25
Als de elektronen van het n-type naar het p-type gaan, wordt er energie vrij gemaakt
want ze dalen van energieniveau. Net zoals men wilt dat een stilliggende bal een
heuvel afrolt: hij zal een duwtje moeten krijgen om de traagheidskrachten te
overwinnen (activatie energie) en de heuvel doet de rest. De bal komt beneden met
een zekere snelheid (energie).
Als men de bal naar boven wilt schoppen, zal dit veel meer energie vergen.
De activatie energie die hier nodig is om elektronen van het n-type naar het p-type te
brengen is het zonnelicht. Het geeft aan de elektronen energie om in beweging te
komen en ze worden vrije elektronen. Deze elektronen zijn aangetrokken door het ptype.
Terwijl ze zich verplaatsen naar het p-type, stijgt de energie van de elektronen.
Als de elektronen van het p-type naar het n-type terug willen keren, hebben ze veel
energie nodig en opnieuw een activatie energie. Maar vermits bij een zonnecel
theoretisch geen zonnestralen tot het p-type geraken, krijgen de elektronen niet
genoeg energie om naar het n-type terug te gaan.
Deze elektronen kunnen maar op één manier voldoende energie verkrijgen, om van
het p-type naar het n-type te gaan. Dit fenomeen wordt doorslag genoemd.
E+
∆E
E-
N-Type
Uitputtingszon
e
P-Type
26
4.3.5
4.3.5.1
Soorten cellen
Monokristallijne cellen
Voor de fabricatie van monokristallijne siliciumcellen wordt er zeer zuiver
halfgeleiders materiaal gebruikt: uit een siliciumsmelt worden staven getrokken die
uit één groot kristal, namelijk een monokristal, bestaan. Deze worden dan in dunne
schijven gezaagd.
Deze productiewijze garandeert relatief hoge cel rendementen, maar zegt nog niets
over de efficiëntie van een paneel. Monokristallijn materiaal kwam oorspronkelijk
uitsluitend uit de chips productie.
4.3.5.2
Polykristallijne cellen
De vervaardiging van polykristallijne cellen is voordeliger. Hierbij wordt vloeibaar
silicium in blokken gegoten, die daarna in schijven gezaagd worden. Bij de stolling
van het materiaal vormen zich kristalstructuren van verschillende grootte, waarbij aan
de grensvlakten defecten optreden. Door deze kristaldefecten is het rendement van
de zonnecel lager. Maar anders dan bij monokristallijn materiaal kunnen van
polykristallen rechthoekige zonnecellen gemaakt worden. Dit geeft een betere
benutting van het paneeloppervlak en zo wordt het rendementsverlies vaak weer
goedgemaakt.
27
5. Zonnepaneel
5.1 Het zonnepaneel
Een zonnepaneel bestaat uit een raamwerk van individuele zonnecellen. Deze
zonnecellen zetten zonne-energie om in elektriciteit. Het systeem wordt PV-systeem
(Photo Voltaic) genoemd. Hiermee wordt het natuurkundig proces bedoeld waardoor
het zonlicht via een zonnecel in elektriciteit wordt omgezet.
Zonnepaneel
Zonnecel
28
5.1.1 Fabricage van een zonnepaneel
Zonnepanelen zijn opgebouwd uit zonnecellen. De opbouw van een kolom
zonnecellen is de volgende. De bovenste elektrode (lintjes uit geleidend materiaal)
van de eerste cel wordt doorgetrokken naar de volgende zonnecel. De cellen worden
dus in serie geschakeld met elkaar (zie meer uitleg blz. 31)
Dit proces wordt herhaald tot men het gewenste aantal cellen met elkaar heeft
verbonden.
Dit hangt af van de afmetingen van de verschillende zonnecellen.
De verkregen rijen met serie geschakelde cellen worden naast elkaar geplaatst. Elk
van deze rijen worden dan parallel aan elkaar geschakeld (Zie verdere uitleg blz. 30).
Het geheel wordt dan geplaatst op een dragend vlak. Dat dragend vlak bestaat
meestal uit verschillende elementen.
Een doorzichtig beschermend laagje wordt aangebracht en de cellen worden
ingekapseld aan de hand van doorzichtig materiaal. De laatste stap is het
aanbrengen van de randen om het zonnepaneel wat stevigheid en bescherming te
geven.
29
Eén maal het zonnepaneel gemaakt, is deze klaar voor het plaatsen.
Een zonnepaneel kan op volgende manieren gemonteerd worden:
Dakopbouw
Hierbij ligt het paneel direct op het schuine dak. Het dak moet hierbij naar de zon
gericht zijn of tussen zuidoost en zuidwest. De hellingshoek van het dak is vaak ook
de optimale hellingshoek voor de panelen (tussen 20 en 40 graden). Een nadeel is
de beperkte mogelijkheid van afvoer van warmte. Dit heeft een negatieve invloed op
het rendement.
30
Dak geïntegreerd
Deze montage houdt in dat de panelen gemonteerd worden als onderdeel van het
dak, dus in plaats van dakpannen of andere dakbedekking. Het voordeel van deze
methode is dat de panelen gemakkelijk in de architectuur van een gebouw
geïntegreerd kunnen worden. De efficiëntie van de panelen neemt bij deze
montagevorm wel af, doordat de panelen erg opwarmen door de beperkte
luchtcirculatie onder de panelen.
Paneel op rek
Dit is de beste methode. De lucht kan langs alle kanten het paneel koelen. Deze
montagemethode is alleen mogelijk bij een plat dak. Een bijkomend voordeel is dat
het paneel gemakkelijk onder optimale hoek en oriëntatie, ten opzichte van de zon,
gemonteerd kan worden. Het is ook mogelijk de panelen met de zon mee te laten
draaien. Dit verhoogt de efficiëntie. Nadeel is dat er minder panelen op het dak
passen, slechts 50% van het dakoppervlak, aangezien de panelen geen schaduw op
elkaar mogen werpen.
31
5.1.2 Schakelen van de zonnecellen
Alle zonnecellen die samen een zonnepaneel vormen, worden onderling met elkaar
verbonden.
5.1.2.1 Parallel schakelen van zonnecellen
Bij een parallelschakeling van bronnen
Wordt de stroom van de verschillende
bronnen opgeteld.
De resulterende spanning is de hoogste
spanning van een van de bronnen.
𝐼𝑡 = 𝐼1 + 𝐼2 + 𝐼3 + ⋯ + 𝐼𝑛
𝑈𝑡 = 𝑈𝑚𝑎𝑥
32
5.1.2.2. Serie schakelen van zonnecellen
Bij een serieschakeling van bronnen worden de spanningen van de verschillende
bronnen opgeteld.
Als men de totale spanning wil weten, moet men de spanningen optellen.
𝑈𝑡 = 𝑈1 + 𝑈2 + 𝑈3 + ⋯ + 𝑈𝑛
𝐼𝑡 = 𝐼𝑚𝑎𝑥
33
5.2 De componenten
5.2.1 De zonnecellen
Zie vorig hoofdstuk (hoofdstuk 4).
5.2.2 De bypassdiode
De bypassdiode heeft als functie de zonnecellen te beschermen wanneer deze in de
schaduw komen te staan. Als de zonnecel zich in de schaduw bevindt, vermindert de
elektronenoverdracht in de pn-junctie. De stroom van de andere zonnecellen komt
dan over die ene beschaduwde zonnecel te staan waardoor deze gaat opwarmen.
Deze zone noemt men een hotspot en dit kan de zonnecel beschadigen.
Op deze figuur wordt met een thermische camera een hotspot gedetecteerd op een
zonnepaneel:
34
Op onderstaande figuur worden de gevolgen van een hotspot voorgesteld:
De bypassdioden werken als volgt:
Op figuur 1 (wanneer het zonnepaneel volledig in de zon staat) zien we dat de
stroom door het paneel vloeit (groene lijn).
Op figuur 2 echter, wanneer de rechter helft van het zonnepaneel in de schaduw
staat, zien we dat de stroom door de bypassdiode vloeit en niet door de zonnecel.
In dit voorbeeld werd een zonnepaneel met 2 bypassdioden geïllustreerd. Hoe meer
bypassdioden een zonnepaneel heeft, hoe groter zijn rendement als er schaduw valt
op een bepaald deel van het zonnepaneel.
35
6. Praktische realisaties
6.1. Halfgeleiding van een fotovoltaïsche cel
Doel: aantonen dat een fotovoltaïsche cel enkel geleidend is in één richting
(halfgeleidend).
Opstelling: De zonnecel en een DC-spanningsbron worden in serie geplaatst. In het
eerste geval wordt de anode van de zonnecel (positieve pool ) gekoppeld aan de
kathode (negatieve pool) van een galvanische cel.
Zou men de zonnecel enkel als een bron beschouwen dan zou zuiver theoretisch de
totale spanning de som zijn van de 2 gedeeltelijke spanningen. In de eerste situatie
is dit ook het geval.
36
Praktische vaststelling bij geval 1:
In dit geval kan men de zonnecel
beschouwen als een bron.
In het tweede geval schakelt men de fotovoltaïsche cel en de galvanische cel in
antiserie.
37
Als men nu opnieuw de fotovoltaïsche cel beschouwt als een bron dan zou de totale
spanning het verschil moeten zijn tussen beide spanningen.
Praktische vaststelling bij geval 2:
In dit geval reageert de zonnecel
als een diode waardoor het
potentiaal verschil 0 volt is.
Besluit: Een zonnecel is een halfgeleider want hij laat elektronen enkel maar door in
1 richting en een fotovoltaïsche cel is ook een elektriciteitsbron.
38
1)
Invalshoek
Doel: Het verband onderzoeken tussen de invalshoek van lichtstralen op een
fotovoltaïsche cel en het vermogen dat ze leveren.
Opstelling: De zonnecel wordt gemonteerd op een roterend element waarvan we de
hoek kunnen regelen. Het geheel wordt geplaatst in een gesloten doos om het licht
van buitenaf te blokkeren. In de doos wordt ook een lichtbron geplaatst waarvan het
vermogen gekend is. De zonnecel wordt op een circuit aangesloten met een
gekende weerstand en een ampère meter wordt in serie geplaatst.
Met de stroom en de weerstand kunnen we het verkregen vermogen berekenen met
volgende formule:
𝑃=
𝐼²
𝑅
P= vermogen (W)
I= stroom (A)
R= weerstand (Ohm)
Verwachtingen: Hoe groter de invalshoek, hoe groter het vermogen zou moeten zijn.
Dit omdat er dan meer lichtstralen de valentie elektronen kunnen bereiken zonder
weerkaatst te worden.
39
6.2. De U I karakteristiek van een zonnepaneel benaderen
Eerder hebben we gezien dat deze karakteristiek afhankelijk was van de licht
energie. Om deze waarde te bepalen zullen we gebruik maken van een luxmeter. Als
luxmeter zullen we een applicatie voor smartphones inzetten die werkt via het
fototoestel van een telefoon. In ieder fototoestel zit er een lichtsensor om de focaal
en de sluitertijd te regelen. In deze applicatie maakt men gebruik van deze sensor
om de hoeveelheid lichtenergie te berekenen. Dit wordt dan in lux op de display
weergegeven.
Een lichtsensor meet heel eenvoudig de lichtsterkte. Dit gebeurt vaak door een LDR.
Deze is afhankelijk van de lichtsterkte en de weerstand. Dit is een eenvoudige en
goedkope oplossing voor het meten van de lichtsterkte. Het enige wat men nog nodig
heeft, is een AD converter die het analoge signaal omzet in een leesbaar digitaal
signaal. Het nadeel van deze lichtsensoren is de eenvoud, hij is wel simpel en
gemakkelijk in gebruik, maar levert weinig informatie op.
Informatie over de gebruikte applicatie:
Luxmeter
Version: 1.1
By Application Manufactory with : luxmeter
In Utilities
Compatible with: iPhone en iPad
Tags : luxmeter
40
Eenheden van licht:
Er bestaan verschillende eenheden om licht te beschrijven zoals in de
elektriciteitsleer.
Lichtsterkte (Iv)
candela (cd)
Lichtstroom (Φ)
lumen (lm)
Specifieke lichtstroom
(of lichtrendement) (η, Φs)
lm/W
Verlichtingssterkte: (E)
lux (lx)
Luminantie (L)
Het verband tussen verlichtingssterkte en vermogen:
Als we de verlichtingssterkte vermenigvuldigen met de beschenen oppervlakte
bekomen we de lichtstroom en deze wordt uitgedrukt in lumen.
𝛷 =𝐸∗𝐴
De lichtstroom kunnen we omrekenen naar het vermogen van licht.
𝑃=
𝛷
𝜂
De specifieke lichtstroom is een vaste waarde per soort lichtbron. Dit hangt af van de
golflengte van het licht waarvan men het vermogen wil berekenen.
41
In onderstaande tabel vindt men deze waarde voor verschillende toepassingen.
Soorten licht
Specifieke
Lichtstroom
(lm/W)
Gloeilamp
12.5-17.5 lm/W
Halogeen lamp
16-24 lm/W
Fluorescentielamp
45-75 lm/W
LED lamp
30-90 lm/W
Metal halide lamp
75-100 lm/W
Zonnelicht (onbewolkt)
70-110 lm/W
Zonnelicht (bewolkt)
110-130 lm/W
42
Opgewekte energie
Een zonnepaneel kan men aanzien als een elektriciteitsbron met een bepaald
vermogen die op zijn beurt bepaald wordt door de grootte van het paneel en het type.
Dus een zonnecel voldoet aan volgende eigenschappen:
P= U x I en U= R x I
Het vermogen van een zonnepaneel is constant als de invalshoek, de luminositeit en
de temperatuur constant blijven. Bijgevolg kan voor ieder van deze situaties een
verschillende stroomspanning karakteristiek opgesteld worden.
Hieronder een voorbeeld van zo'n grafiek :
De maximale spanning is de openklemspanning.
De maximale stroom is de kortsluitstroom.
Het piekvermogen bevindt zich op het knikpunt van de grafiek.
43
Metingen:
44
monokristallijn namiddag
12u55
Spanning (u)
Volt
V
Stroom (I)
Ampère
A
20,6
19,8
19,6
19,6
19,5
19,5
19,4
19,4
19,3
19,2
19,1
19
18,8
18,6
18,4
18
17,6
17
15,6
14,8
13,9
12,8
11,6
10,4
9,4
8,4
0
0,38
0,39
0,41
0,43
0,45
0,48
0,51
0,54
0,58
0,61
0,66
0,72
0,78
0,85
0,96
1,09
1,2
1,25
1,28
1,3
1,33
1,32
1,31
1,31
1,34
Weerstand (R)
Ohm
52,1
50,3
47,8
45,3
43,3
40,4
38,0
35,7
33,1
31,3
28,8
26,1
23,8
21,6
18,8
16,1
14,2
12,5
11,6
10,7
9,6
8,8
7,9
7,2
6,3
Vermogen (P)
Watt
W
0
7,5
7,6
8,0
8,4
8,8
9,3
9,9
10,4
11,1
11,7
12,5
13,5
14,5
15,6
17,3
19,2
20,4
19,5
18,9
18,1
17,0
15,3
13,6
12,3
11,3
45
monokristallijn
voormiddag 10u55
Spanning (u)
Volt
V
Stroom (I)
Ampère
A
19,6
19,3
19,2
19,1
19
18,9
18,7
18,4
18,1
17,2
16,1
14,8
13,5
12,2
11
9,6
8,5
8,2
7,9
0
0,37
0,38
0,39
0,41
0,43
0,45
0,48
0,5
0,51
0,51
0,51
0,52
0,52
0,52
0,52
0,53
0,54
0,54
Weerstand (R)
Ohm
52,2
50,5
49,0
46,3
44,0
41,6
38,3
36,2
33,7
31,6
29,0
26,0
23,5
21,2
18,5
16,0
15,2
14,6
Vermogen (P)
Watt
W
0,0
7,1
7,3
7,4
7,8
8,1
8,4
8,8
9,1
8,8
8,2
7,5
7,0
6,3
5,7
5,0
4,5
4,4
4,3
46
monokristallijn voormiddag
11u10
Spanning (u)
Volt
V
Stroom (I)
Ampère
A
20,4
19
18,9
18,8
18,7
18,5
18,3
17,9
17,1
16,1
15
14,3
13,7
12,8
12,2
10,8
9,5
8,5
0
0,36
0,37
0,38
0,4
0,42
0,43
0,45
0,45
0,46
0,46
0,46
0,46
0,46
0,46
0,46
0,46
0,46
Weerstand (R)
Ohm
52,8
51,1
49,5
46,8
44,0
42,6
39,8
38,0
35,0
32,6
31,1
29,8
27,8
26,5
23,5
20,7
18,5
Vermogen (P)
Watt
W
0
6,8
7,0
7,1
7,5
7,8
7,9
8,1
7,7
7,4
6,9
6,6
6,3
5,9
5,6
5,0
4,4
3,9
47
polykristallijn voormiddag 11u23
Spanning (u)
Volt
V
Stroom (I)
Ampère
A
19,8
17,9
16,6
16,2
15,7
15,1
14,4
13,6
12,8
12,4
11,6
10,6
9,6
8,7
7,8
6,5
5,5
0
0,29
0,36
0,37
0,37
0,38
0,39
0,4
0,4
0,4
0,41
0,41
0,42
0,42
0,43
0,44
0,47
Weerstand (R)
Ohm
61,7
46,1
43,8
42,4
39,7
36,9
34,0
32,0
31,0
28,3
25,9
22,9
20,7
18,1
14,8
11,7
Vermogen (P)
Watt
W
0,0
5,2
6,0
6,0
5,8
5,7
5,6
5,4
5,1
5,0
4,8
4,3
4,0
3,7
3,4
2,9
2,6
48
polykristallijn voormiddag 11u33
Spanning (u)
Volt
V
Stroom (I)
Ampère
A
20
18,4
18,3
18,2
18,1
17,9
17,6
17,4
17
16,4
15,7
15
14
13
11,9
10,6
9,3
8,3
7,7
7,2
7
0
0,35
0,36
0,38
0,4
0,41
0,43
0,45
0,47
0,49
0,5
0,51
0,52
0,53
0,54
0,55
0,56
0,57
0,59
0,62
0,65
Weerstand (R)
Ohm
52,6
50,8
47,9
45,3
43,7
40,9
38,7
36,2
33,5
31,4
29,4
26,9
24,5
22,0
19,3
16,6
14,6
13,1
11,6
10,8
Vermogen (P)
Watt
W
0,0
6,4
6,6
6,9
7,2
7,3
7,6
7,8
8,0
8,0
7,9
7,7
7,3
6,9
6,4
5,8
5,2
4,7
4,5
4,5
4,6
49
polykristallijn namiddag 12u35
Spanning (u)
Volt
V
Stroom (I)
Ampère
A
19,9
19,2
19,2
19,2
19,2
19,2
19,1
19
18,9
18,9
18,8
18,8
18,6
18,5
18,3
17,7
16,9
15,6
14,5
13,6
12,8
11,9
10,8
10,2
8,9
8,1
0
0,36
0,37
0,39
0,41
0,43
0,46
0,49
0,52
0,55
0,6
0,65
0,7
0,76
0,83
0,95
1,03
1,08
1,14
1,16
1,18
1,21
1,23
1,26
1,24
1,21
Weerstand (R)
Ohm
53,3
51,9
49,2
46,8
44,7
41,5
38,8
36,3
34,4
31,3
28,9
26,6
24,3
22,0
18,6
16,4
14,4
12,7
11,7
10,8
9,8
8,8
8,1
7,2
6,7
Vermogen (P)
Watt
W
0,0
6,9
7,1
7,5
7,9
8,3
8,8
9,3
9,8
10,4
11,3
12,2
13,0
14,1
15,2
16,8
17,4
16,8
16,5
15,8
15,1
14,4
13,3
12,9
11,0
9,8
50
7. Bronvermeldingen
HEMANS, Jo. Energie survival gids Inzicht In Energie En Uitzicht Op De
Toekomst,Wolters, Holland, 2008, pg 129
De elementen Silicium Jens Thomas 32p
ZONNE-ENERGIE Neil MORRIS 32p
Zonnepaneel
(http://nl.wikipedia.org/wiki/Zonnepaneel)
Werking halfgeleider
(http://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/32019-vaste-stof-fysica-werkinghalfgeleider/)
Halfgeleider theorie
(http://wetenschap.infonu.nl/natuurkunde/100953-halfgeleider-theorie.html)
werking van junctiediode
(http://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/31153-vaste-stof-fysica-werkingvan-junctiediode/page__p__185107#entry185107)
Illumination Converter
(file:///C:/Users/simon%20delusinne/Desktop/praktische%20proef/Illumination%20Co
nverter.htm)
Halfgeleider
(http://www.youtube.com/watch?v=MCe1JXaLEwQ)
how a pn-junction diode works
(http://www.standrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/pn_junc/pn_junc.htm
)
Jonction P-N
(http://fr.wikipedia.org/wiki/Jonction_P-N)
Solar cell
(http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell)
51