16-03-2015 - Kennispagina uit het dossier Duurzaamheid over zonnecellen.

Met zonnecellen kan zonlicht direct in elektriciteit worden omgezet. Net als onder andere wind en biomassa vormen zonnecellen een bron van duurzame energie. De meeste zonnecellen worden toegepast op daken om elektriciteit op te wekken die gevoed kan worden aan het elektriciteitnet. Daarnaast kunnen zonnecellen toegepast worden op plekken waar normaal geen elektriciteit aanwezig is. Voorbeelden hiervan zijn waterpompen in de landbouw of lokale elektriciteitsvoorziening in ontwikkelingslanden. Zonnecellen kunnen ook worden ingebouwd in producten om bijvoorbeeld energie uit batterijen te vervangen.

Werking van zonnecellen

Zonnecellen hebben hun elektriciteitgenererende eigenschappen te danken aan het zogenaamde fotovoltaïsch effect. Hiermee wordt bedoeld dat in halfgeleidende materialen onder invloed van licht elektronen worden vrijgemaakt. Voor effectieve zonnecellen worden de halfgeleidende materialen zo aangepast dat de vrijgemaakte elektronen tot een spanningsverschil in het materiaal leiden. De vrijgemaakte elektronen kunnen nuttig worden gebruikt door ze door een elektrische weerstand heen te laten stromen.

Het fotovoltaïsch effect is in 1839 ontdekt door de Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel. Toch duurder het nog tot 1883 eer een eerste werkende zonnecel werd gemaakt en wel door de Amerikaanse uitvinder Charles Fritts. Voor zijn zonnecel bedekte Fritts het halfgeleidend materiaal selenium met een dunne laag goud. Sindsdien is het rendement van zonnecellen gestegen van 1% van het invallende zonlicht tot ruim 40%, wat tegenwoordig bereikt kan worden met bijzondere zonnecellen in een laboratoriumsituatie.

Soorten zonnecellen

De meest gebruikte zonnecellen zijn gemaakt van kristallijn silicium. Deze cellen hebben in praktijksituaties een rendement tot ongeveer 15%. Ze worden gemaakt door uit blokken van het metaal silicium dunne plakken (0,3 mm) van ongeveer 1 dm2 te zagen. Deze plakken hebben een glanzend oppervlak en reflecteren daardoor veel van het invallende licht. Om te voorkomen dat de lichtstralen worden gereflecteerd en niet in het materiaal doordringen is een coating aangebracht, die de zonnecellen van kristallijn silicium hun karakteristieke blauwe kleur geeft. Voor ontwerpers is het interessant om te weten dat deze coating niet blauw hoeft te zijn. Bij andere kleuren is het rendement van de cellen echter lager en zijn de cellen ook duurder.

Om de vrijgekomen elektronen te verzamelen en te geleiden naar de elektrische weerstand is aan de bovenkant van de cellen een lijnenpatroon van zilver aangebracht. Aan de onderkant zijn de cellen voor het terugbrengen van de elektronen voorzien van een laagje aluminium. Het lijnenpatroon van de silicium zonnecellen is al even karakteristiek als de blauwe kleur.

Naast de kristallijn silicium zonnecellen zijn er zonnecellen die gemaakt worden van amorf silicium. Deze behoren tot de groep van dunne-filmzonnecellen, omdat ze slechts uit een zeer dunne laag actief materiaal bestaan. De dunne laag maakt het mogelijk de zonnecellen aan te brengen op een flexibele ondergrond. Hierdoor worden de toepassingsmogelijkheden in producten vergroot. Amorf silicium zonnecellen zijn goedkoper dan de kristallijn-siliciumvarianten, maar hebben ook een lager rendement (ongeveer 6 tot 8%). Een voordeel van de amorf silicium zonnecellen is dat ze bij lage lichtniveaus al een redelijk rendement hebben. Dit maakt ze geschikt voor toepassingen binnenshuis.

Niet alleen silicium kan worden gebruikt voor het maken van zonnecellen. Andere typen zonnecellen worden gemaakt met veel zeldzamere metalen. Voorbeelden hiervan zijn cadmium-telluride zonnecellen of cellen op basis van koper, indium en selenium. Een type zonnecel waarvan veel wordt verwacht is gebaseerd op organische componenten. Deze zonnecellen kunnen goedkoop en flexibel geproduceerd worden. Een nadeel van de huidige organische zonnecellen is dat ze snel verouderen en hun rendement steeds verder achteruit gaat.

Duurzaamheid

Het mag duidelijk zijn dat het direct omzetten van zonlicht in elektriciteit een duurzame vorm van energieopwekking is. De zon is uiteindelijke onze belangrijkste energiebron en (op menselijke schaal) voorlopig nog niet uitgeput. Toch zijn er bedenkingen bij het gebruik van zonnecellen te plaatsen.

Zeker in het verleden werden er vraagtekens geplaatst bij de daadwerkelijke energiewinst van zonnecellen. De geproduceerde elektriciteit zou niet opwegen tegen de energie die nodig is om de cellen te produceren. Inderdaad is er voor het maken van zonnecellen veel energie nodig. Dit komt vooral doordat de materialen waaruit de zonnecellen worden gemaakt zeer zuiver moeten zijn. De energie-inhoud van de materialen kon door het lage rendement van de eerste zonnecellen niet terugverdiend worden. Tegenwoordig ligt de energieterugverdientijd van zonnecellen, afhankelijk van het type zonnecel en de toepassing, op 1 tot 3 jaar. Aangezien de meeste zonnecellen minimaal 15 tot 20 jaar meegaan, wordt de energie voor het produceren dus makkelijke gecompenseerd. Bij gebruik in producten kan deze verhouding anders liggen, dus oplettendheid is geboden.

Een ander bezwaar tegen zonnecellen is het gebruik van soms zeer zeldzame metalen. Het meest voor zonnecellen gebruikte metaal silicium is het meest beschikbare metaal ter wereld. Andere metalen zijn echter minder voorradig. Zoals hierboven vermeld wordt er voor het geleiden van de elektronen uit kristallijn silicium zonnecellen zilver gebruikt. Bij amorf silicium is hiervoor tin nodig. Zeer grootschalige toepassing van deze zonneceltechnologieën wordt hierdoor waarschijnlijk belemmerd.

Ontwerpen met zonnecellen

Bij het ontwerpen van producten die gebruik maken van geïntegreerde zonnecellen voor de energievoorziening is de energiebalans van het product belangrijk. Het aanbod van energie wordt hierbij onder andere bepaald door het type zonnecel en de lichtcondities die het product ondervindt. Dit laatste aspect wordt sterk bepaald door de gebruiksomgeving, maar ook door weers- en seizoensinvloeden. De energieopbrengst van de zonnecellen kan eventueel verhoogd worden door de gebruiker informatie te geven over de manieren waarop het apparaat extra opgeladen kan worden, bijvoorbeeld door het in de zon te leggen.

Het energieverbruik hangt natuurlijk af van de technische eigenschappen van het apparaat. Hierbij moet ook rekening worden gehouden met de extra onderdelen die er voor het gebruik van de zonnecellen worden toegevoegd. Daarnaast spelen de gebruiksfrequentie en gebruiksduur een belangrijke rol voor het energiegebruik. Om deze te bepalen zal het gebruiksgedrag van het beoogde product goed bestudeerd moeten worden. Hieruit kan ook worden bepaald of de energiebalans niet alleen gemiddeld maar ook in de tijd in evenwicht is.

Een laatste belangrijk aspect bij het ontwerpen van producten met zonnecellen is dat de zonnecellen een duidelijk voordeel moeten hebben boven met normale elektrische energie gevoede varianten. Dit is bijvoorbeeld mogelijk doordat elektriciteit op te wekken op plaatsen waar deze normaal niet aanwezig is of doordat het gebruiksgemak van een zonnecelproduct hoger is. 

Auteur: Corné Wentink