Wie zelfstandig wil gaan leven komt vanzelf uit bij het zelf opwekken van energie. In dit artikel beschrijven we de geschiedenis van de zonnepaneel. We behandelen de ontwikkelingen en de verschillende type zonnepanelen. Het artikel is geschreven op basis van eigen onderzoek en ervaringen. Wie wil kan langskomen op onze locatie in Groningen zodat er precies uitgelegd kan worden hoe alles werkt. 

Ga direct naar:

De geschiedenis van zonnepanelen
De huidige panelen
Ontwikkelingen binnen zonnepanelen

De geschiedenis van zonnepanelen
In de 18e eeuw ontdekte Luigi Galvani dat er een elektrische stroom kan ontstaan als je twee soorten metaal (de elektroden) via een medium met elkaar in contact brengt. Een plaatje koper verbonden met een plaatje zink noemt men nu nog steeds een 'galvanische cel'.

Elektrische stroom kan gezien worden als het verplaatsen van bijvoorbeeld elektronen (negatief geladen deeltjes) door een geleider (koper en ander metalen) of een halfgeleider (denk aan een transistor in een radio) onder invloed van een batterij- of accuspanning. Dit is te vergelijken met water uit de kraan: er komt pas water uit de kraan als de kraan open staat en er voldoende druk op de leiding staat.

In 1780 bouwde Alessandro Conte di Volta na veel experimenteren met verschillende materialen de eerste eenvoudige batterij. Ook hij legde koper en zinkschijven afwisselend op elkaar, maar gescheiden door een in een zoutoplossing gedrenkt stuk vilt. Deze Volta-zuil leverde stroom zodra de schijven via een draadje met elkaar werden verbonden.

In 1839 ontdekte de Franse wetenschapper Edmond Becquerel tijdens het experimenteren met twee metalen voorwerpen geplaatst in een geleidende vloeistof dat elektriciteit ontstond wanneer deze voorwerpen werden blootgesteld aan licht. Licht kan opgevat worden als afzonderlijke deeltjes (fotonen) die zich als golven gedragen.

De eerste zonnecel werd in 1883 gebouwd door Charles Fritts. Het rendement van deze cel was 1%. Zijn zonnecel werd hoofdzakelijk opgebouwd uit het element Seleen dat halfgeleidend is. Halfgeleidend houdt in dat een stof onder bepaalde omstandigheden stroom geleidt. Zo kan een materiaal beter geleiden als de temperatuur daarvan stijgt of juist minder. Ook kunnen stoffen toegevoegd worden aan materialen die van nature slecht of niet geleiden waardoor de geleidbaarheid verbeterd kan worden. Bij Seleen is de elektrische geleidbaarheid afhankelijk van de hoeveelheid licht die erop valt.  
In 1921 won Albert Einstein de nobelprijs naar aanleiding van het combineren van twee tot dan toe bestaande theorieën waardoor licht omschreven kan worden als een stroom energierijke deeltjes (fotonen). Elk voorwerp dat in zonlicht wordt gehouden, wordt getroffen door fotonen. Indien een foton voldoende energie heeft, door beschikbaarheid van voldoende zonlicht, kan het een elektron uit een atoom vrijmaken. Hierdoor wordt het materiaal van het voorwerp dat in het zonlicht gehouden wordt elektrisch geladen.

De moderne halfgeleider zonnecel op basis van silicium werd in 1941 gepatenteerd door de Amerikaan Russell Ohl. In mei 1939 had hij bij toeval ontdekt dat er spontaan een elektrische stroom werd opgewekt in een siliciumkristal wanneer hij dit bescheen met een bureaulamp. De oorzaak bleek een barst in het kristal te zijn. De barst in het kristal zorgde ervoor dat aan weerszijden van de barst lading ontstond: positieve lading aan de ene kant en een negatieve lading aan de andere kant. Door beide zijden met een metalen draadje te verbinden, ging er een stroom lopen. Dit is te vergelijken als je met schoenen over tapijt loopt waardoor je jezelf oplaadt en je vervolgens een metalen deurklink pakt, vaak voel je dit als een tik (statische elektriciteit). Zijn pionierswerk op dit gebied zou uiteindelijk leiden tot de uitvinding van de transistor.

Door cellen achter elkaar (in serie) aan te sluiten kon de opgewekte spanning aanzienlijk verhoogd worden. Een nadeel van het in serie plaatsen van afzonderlijke cellen is dat de opgewekte stroom afhankelijk is van de prestatie van de afzonderlijke cellen. Als 1 cel slecht functioneert zal dat de gehele streng van cellen negatief beïnvloeden. Dit is te vergelijken met een auto die op de snelweg 50 km/h rijdt.

Door in een later stadium Silicium te voorzien van Arseen werd het rendement vergroot naar 6%. In de jaren 1950 – 1960 werd rendementen behaald tot 14%.

De huidige panelen
Momenteel zijn er diverse types te onderscheiden.

Monokristallijne panelen (14-20% rendement)
Poly- of Multikristallijne panelen (12-16% rendement)
Amorfe panelen (6-10% rendement)
CIGS panelen (13-15% rendement)

Monokristallijne panelen
Als basis voor monokristallijne panelen wordt in de regel Silicium gebruikt. Na Zuurstof is Silicium het meest voorkomende element in de aardkorst. Het komt voor in diverse verbindingen waaronder kiezel en zand. Silicium wordt verkregen door Siliciumoxide bij aanwezigheid van overmatig koolstof te verhitten tot 3000°C.

Om monokristallijn Silicium te maken wordt Silicium in een smeltbad verhit tot een temperatuur van ± 1400°C. Vervolgens wordt een staaf met een Siliciumkristal in het bad gedoopt waarna het bad gecontroleerd wordt afgekoeld. Het vloeibare Silicium vormt zich dan naar het kristal dat werd gedoopt, waardoor één groot kristal ontstaat. Methoden die hiervoor gebruikt worden, zijn de Czochralsi-methode of de Bridgeman- methode. Dit is zelf te proberen met een flesje water en een klein stukje ijs. Koel het water in een vriezer tot onder 0°C. Het water zal als het geen verontreinigingen bevat niet meteen bij 0°C bevriezen. Haal het flesje water voorzichtig uit de vriezer en zet deze op het aanrecht neer. Verwijder voorzichtig de waas van de fles met een doek en verwijder de dop. Laat nu een stukje ijs in de fles vallen en als het goed is zie je nu dat de fles van boven tot onder zal bevriezen!
Dit kristal wordt in dunne plakken gezaagd. Deze plakken worden wafers genoemd. Deze zijn rond of vierkant met afgeronde hoeken en donker van kleur. Voor deze productiemethode is veel energie nodig.

Multi- of Polykristallijne panelen
Vloeibaar silicium word in een vierkante gietvorm gegoten. Door geleidelijke afkoeling ontstaat vast silicium. Dit Silicium bestaat niet uit één kristal maar bestaat uit meerdere kristallen die ongestructureerd gevormd worden tijdens het afkoeling; vandaar multikristallijn. Het blok wordt vervolgens ook in wafers gezaagd. Multikristallijn zonnepanelen hebben een oppervlak dat lijkt te bestaan uit fonkelende gebroken scherven in meerdere kleuren blauw. Op de punten waar het ene kristal overgaat in de andere, treedt rendementsverlies op.

Door het eenvoudiger proces is een multikristallijn zonnepaneel voordeliger dan een monokristallijn zonnepaneel, maar levert minder rendement. Echter is het rendement van een multikristallijn op zich nog altijd vrij hoog. Daarom zijn deze zonnepanelen in de praktijk populair. Als je voldoende vierkante meters tot je beschikking hebt om zonnepanelen te plaatsen, bieden multikristallijne zonnepanelen de meest interessante verhouding tussen prijs en rendement.

Amorfe panelen
De amorfe panelen zijn gemaakt van een dunne laag Silicium. Deze zijn goedkoper dan mono- en multikristallijne zonnepanelen omdat er minder materiaal nodig is bij de productie van de zonnecellen. Het prijsverschil kan oplopen tot dertig procent. Dit soort zonnepanelen brengt een nadeel met zich mee. Het rendement is een stuk lager. (Bijna de helft van de monokristallijne panelen.)

Een amorf zonnecel wordt meestal ingezet bij toepassingen waar maar weinig vermogen vereist is, zoals een horloge of rekenmachine. Daarnaast zijn amorfe zonnepanelen wellicht interessant voor mensen die een installatie willen plaatsen op oost en west… misschien zelfs wel op het noorden. Of installaties die een groot deel van de dag geen direct zonlicht ontvangen. Een mono- of polykristallijne installatie zal zich niet terugverdienen onder deze omstandigheden. Dakpannen waar zonnecellen in zijn verwerkt maken vaak gebruik van amorfe zonnecellen vanwege de golving van het oppervlak van de dakpan.

CIGS panelen
Panelen gemaakt van meerdere lagen halfgeleider materiaal die bestaan uit Koper, Indium Gallium en Selenide (afgekort met CIGS (koper = Copper). Deze panelen hebben een hogere opbrengst bij diffuus licht en hogere temperatuur. Een hogere temperatuur van gangbare PV- panelen tempert de opbrengst. Dit zou middels afkoeling door bijvoorbeeld water verbeterd kunnen worden.

De ontwikkelingen binnen de zonnepanelen
De hoogste rendementen zijn behaald met cellen die als een soort lichtzeef werken. Een gewone cel heeft het nadeel dat fotonen met een hogere energie dan die ter plaatse van de voeg (de breuk) heerst, gedeeltelijk wordt omgezet in warmte. Daarmee gaat veel potentieel rendement verloren. Het beste zou zijn het licht naar kleur te sorteren en iedere kleur op een cel met een daarbij passende voeg te laten vallen. Het is mogelijk gebleken door verschillende lagen halfgeleider op elkaar aan te brengen een dergelijke 'zeef' te maken. Daarmee is een rendement van 43% bereikt. Dergelijke cellen zijn momenteel nog te duur.

Een aanvullende methode om het rendement te verbeteren is het bundelen van zonlicht door lenzen. Lenzen die licht weten te bundelen zoals we dit kennen van een vergrootglas. Hierdoor zal meer energie beschikbaar komen en energie die bij de huidige panelen geen opbrengst meer hebben zal dan wel opgezet kunnen worden in elektrische energie.

Veel bestaande zonnepanelen zijn vast gemonteerd waardoor ze gedurende een bepaalde tijd elektriciteit opwekken. Deze panelen zouden veel langer energie kunnen opwekken als de panelen met de baan van de zon zouden kunnen mee bewegen. Hiervoor zijn volgsystemen op de markt met één of twee assen die de zon van 's morgens tot 's avonds volgen.

Organische zonnepanelen worden ontwikkeld van kunststof folie. Hier zijn chemicaliën in lichte mate toegevoegd waardoor geleidbaarheid ontstaat. Het rendement is nog erg laag: 3-5%. Daarentegen zijn de materiaalkosten 10-20% goedkoper dan bij de huidige PV- panelen van Silicium. De toepassing kunnen enorm zijn. Van kleding waarmee je je mobiel kunt opladen tot een energie- opwekkende tent waarin je kunt koken. Op onze mini-camping maken we gebruik van 166 PV- panelen die de energie duurzaam opwekken. Voor meer informatie over onze camping klik hier.

Dit artikel is geschreven door Ron van den Bosch. Bekijk hier zijn cursus vuur maken in Groningen.

Zorg dat je niet zonder licht komt te zitten:                                Stormlamp rood

• Vorige