zonnecellen

nu voor meer details…

dat is een basis introductie tot zonnecellen—en als dat alles is wat je wilde, kun je hier stoppen.De rest van dit artikel gaat in meer detail over de verschillende soorten zonnecellen, hoe mensen zonne-energie in de praktijk te gebruiken, en waarom zonne-energie duurt zo lang aan te passen op.

hoe efficiënt zijn zonnecellen?

grafiek: Efficiëntie van zonnecellen vergeleken: de allereerste zonnecel die met slechts 6 procent efficiëntie werd ingeschraapt; de meest efficiënte die tot nu toe werd geproduceerd, beheerde 46 procent in laboratoriumomstandigheden. De meeste cellen zijn eerste generatie types die ongeveer 15 procent in theorie en waarschijnlijk 8 procent in de praktijk kunnen beheren.

een basisregel van de fysica genaamd de wet van behoud van energie zegt dat we geen energie op magische wijze kunnen creëren of laten verdwijnen in het dunne; alles wat we kunnen doen is het omzetten van de ene vorm naar de andere. Dat betekent dat een zonnecel niet meer elektrische energie kan produceren dan ze elke seconde als licht ontvangt. In de praktijk,zoals we binnenkort zullen zien, zetten de meeste cellen ongeveer 10-20 procent van de energie die ze ontvangen om in elektriciteit. Een typische, single-junction silicium solarcell heeft een theoretische maximale efficiëntie van ongeveer 30 procent, bekend als de Shockley-Queisser limiet. Dat komt omdat zonlicht een breed mengsel van fotonen van verschillende golflengten en energie bevat en elke enkele junctie zonnecel zal worden geoptimaliseerd om fotonen alleen binnen een bepaalde frequentieband te vangen, waardoor de rest verloren gaat.Sommige fotonen die een zonnecel raken, hebben niet genoeg energie om elektronen uit te schakelen, dus ze worden effectief verspild, terwijl sommige te veel energie hebben, en de overmaat wordt ook verspild. De beste, cutting-edge laboratoriumcellen kunnen 46 procentefficiëntie beheren in absoluut perfecte omstandigheden met behulp van meerdere kruispunten om fotonen van verschillende energieën te vangen.

real-world domestic solar panels zou kunnen bereiken een efficiëntie van ongeveer 15 procent, Geef hier of daar een procentpunt, en dat is onwaarschijnlijk veel beter te krijgen.Zonnecellen van de eerste generatie met één knooppunt komen niet in de buurt van de 30 procent efficiëntie van de Shockley-Queisser-limiet, laat staan het labrecord van 46 procent. Allerlei vervelende real-world factoren zullen eten in de nominale efficiëntie,met inbegrip van de constructie van de panelen, hoe ze zijn gepositioneerd en gehangen, of ze ooit in de schaduw, hoe schoon je ze te houden, hoe ze krijgen (toenemende temperaturen hebben de neiging om hun efficiëntie te verlagen),en of ze geventileerd (waardoor lucht te circuleren onder)om ze koel te houden.

soorten fotovoltaïsche zonnecellen

De meeste zonnecellen die je tegenwoordig op de daken van mensen ziet, zijn hoofdzakelijk silicium sandwiches, speciaal behandeld (“gedoteerd”)om ze betere elektrische geleiders te maken. Wetenschappers verwijzen naar deze klassieke zonnecellen als eerste-generatie, grotendeels om ze te onderscheiden van twee verschillende, modernere technologieën bekend als tweede-en derde-generatie. Dus wat is het verschil?

eerste generatie

Foto: een kleurrijke verzameling zonnecellen van de eerste generatie.Foto met dank aan NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

ongeveer 90% van de zonnecellen in de wereld wordt gemaakt van wafers van kristallijn silicium (afgekort c-Si), gesneden uit grote blokken,die worden geteeld in superzuivere laboratoria in een proces dat tot een maand kan duren. De ingots hebben de vorm van enkelvoudige kristallen (monokristallijne of mono-Si) of bevatten meerdere kristallen (polykristallijne,multi-Si of poly-C-Si). Zonnecellen van de eerste generatie werken zoals we in de doos hierboven zien.: ze maken gebruik van een enkele, eenvoudige verbinding tussen n-type en p-type silicium lagen, die worden gesneden uit afzonderlijke blokken. Een N-type ingot zou dus gemaakt worden door stukjes silicium te verwarmen met kleine hoeveelheden fosfor, antimoon of arseen als dopmiddel, terwijl een P-type ingot boor als dopmiddel zou gebruiken.Plakjes n-type en P-type silicium worden vervolgens gesmolten om dejunctie te maken. Een paar toeters en bellen worden toegevoegd (zoals eenantireflecterende coating, die de lichtabsorptie verbetert en fotovoltaïsche cellen hun karakteristieke blauwe kleur, beschermende glasson front en een plastic backing, en metalen verbindingen zodat de cel kan worden bedraad in een circuit), maar een eenvoudige P-n junction is de essentie van de meeste zonnecellen. Het is zo ‘ n beetje hoe alle fotovoltaïsche silicium solarcellen werken sinds 1954, toen wetenschappers van Bell lab de technologie bespioneerden: schijnend zonlicht op silicium dat uit en werd gewonnen, produceerden ze elektriciteit.

tweede generatie

Foto: een dunne-film zonnepaneel van de tweede generatie.”De energie-genererende film is gemaakt van amorf silicium, bevestigd aan een dunne, flexibele en relatief goedkope plastic backing (de “substraat”).Foto door Warren Gretz met dank aan NREL (image id #6321083).

klassieke zonnecellen zijn relatief dunne wafers-meestal een millimeter diep (ongeveer 200 micrometer, 200µm, of zo).Maar het zijn absolute platen in vergelijking met tweede-generatiecellen, in de volksmond bekend als dunne-film zonnecellen (TPSC) of Thin-film fotovoltaïsche cellen (TFPV), die ongeveer 100 keer inner (enkele micrometers of miljoenste van een meter diep).Hoewel de meeste nog steeds van silicium worden gemaakt (een andere vorm die bekendstaat als amorf silicium, a-Si, waarin atomen willekeurig zijn gerangschikt in plaats van nauwkeurig geordend in een regelmatige kristallijne structuur), worden sommige van andere materialen gemaakt, met name cadmium-telluride (Cd-Te) en Koper-indium-galliumdiselenide (CIGS). Omdat ze extreem dun, licht en flexibel zijn, kunnen tweede generatie zonnecellen belamineerd worden op ramen, dakramen, dakpannen en allerlei”substraten” (backing materials) waaronder metalen, glas en polymeren (kunststoffen). Wat de cellen van de tweede generatie aan flexibiliteit winnen, ze offeren inefficiëntie op: klassieke zonnecellen van de eerste generatie presteren er nog steeds beter op. Dus terwijl een eersteklas eerste-generatie cel eenefficiëntie van 15-20 procent zou kunnen bereiken, worstelt amorf silicium om boven de 7 procent te komen, de beste dunnefilm Cd-te-cellen beheren slechts ongeveer 11 procent, en CIGS-cellen doen niet beter dan 7-12 procent. Dat is een reden waarom tweegeneratiecellen, ondanks hun praktische voordelen, tot nu toe relatief weinig invloed hebben op de zonne-energiemarkt.

derde generatie

Foto: Derde generatie plastic zonnecellen geproduceerd door onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory.Foto van Jack Dempsey met dank aan NREL (image id #6322357).

de nieuwste technologieën combineren de beste eigenschappen van eerste en tweede generatie cellen. Net als eerste generatie cellen beloven ze relatief hoge efficiëntie (30 procent of meer). Net als de tweede generatie cellen, ze zijn meer kans om te worden gemaakt van materialen anders dan” eenvoudige ” silicium, zoals amorf silicium,organische polymeren (het maken van organische fotovoltaïsche, OPVs), perovskiet kristallen,en beschikken over meerdere juncties (gemaakt van meerdere lagen van verschillende halfgeleidermaterialen). Idealiter zou dat ze goedkoper, efficiënter en praktischer maken dan eerste-of tweede-generatie cellen.Momenteel is het wereldrecord efficiëntie voor de derde generatie solaris 28 procent, bereikt door een perovskiet-silicium tandem zonnecel in December 2018.

hoeveel vermogen kunnen we maken met zonnecellen?

in theorie, een enorme hoeveelheid. Laten we zonnecellen even vergeten en gewoon puur zonlicht overwegen. Tot 1000 watt ruwe zonne-energiehits elke vierkante meter van de aarde die direct op de zon (dat is het theoretische vermogen van de directe middag zonlicht op een lege dag—met de zonnestralen vuren loodrecht op de aarde ‘ Surface en het geven van maximale verlichting of insolatie, zoals het technisch bekend). In de praktijk, nadat we hebben gecorrigeerd voor de tiltovan de planeet en het tijdstip van de dag, het beste dat we waarschijnlijk krijgen is misschien wel 100-250 watt per vierkante meter in typische noordelijke breedtegraden(zelfs op een wolkenloze dag). Dat vertaalt zich in ongeveer 2-6 kWh per dag (afhankelijk van of je in een noordelijke regio als Canada of Scotland of ergens meer verplicht zoals Arizona of Mexico).De vermenigvuldiging voor de productie van een heel jaar levert ons iets op tussen de 700 en 2500 kWh per vierkante meter (700-2500 eenheden elektriciteit). Warmere regio ’s hebben duidelijk een veel groter solarpotentiaal: het Midden–Oosten bijvoorbeeld ontvangt jaarlijks zo’ n 50-100 procent meer nuttige zonne-energie dan Europa.

helaas zijn typische zonnecellen slechts ongeveer 15 procentefficiënt, dus we kunnen slechts een fractie van deze theoretische energie vangen. Daarom moeten zonnepanelen zo groot zijn: de hoeveelheid vermogen die je kunt maken is natuurlijk direct gerelateerd aan hoeveel oppervlakte je je kunt veroorloven om met cellen te bedekken. Een enkele zonnecel (ongeveer de grootte van een compact disc) kan ongeveer 3-4, 5 watt genereren; een typische solarmodule gemaakt van een array van ongeveer 40 cellen (5 rijen van 8cells) kan ongeveer 100-300 Watt maken; verschillende zonnepanelen, elk gemaakt van ongeveer 3-4 modules, zouden daarom een absoluut maximum van enkele kilowatt kunnen genereren (waarschijnlijk net genoeg om aan de stroombehoefte van een huis te voldoen).

hoe zit het met zonneparken?

Foto: het enorme project Alamosa zonne-energie van 91 hectare in Colorado genereert tot 30 megawatt zonne-energie met behulp van drie sluwe trucs. Ten eerste zijn er enorme aantallen fotovoltaïsche panelen (500 van hen, elk capableof het maken van 60kW). Elk paneel is gemonteerd op een aparte, roterende assemblage zodat het de zon door de hemel kan volgen.Elke lens heeft meerdere Fresnel-lenzen bovenop om de zonnestralen te concentreren op zijn zonnecellen.Foto door Dennis Schroeder met dank aan NREL (image id # 10895528).

maar stel dat we echt grote hoeveelheden solarpower willen maken. Om net zoveel elektriciteit op te wekken als een flinke windturbine (met een piekvermogen van misschien twee of drie megawatt), heb je ongeveer 500–1000 zonnedaken nodig. En om te concurreren met een grote kolen—of kernenergiecentrale (beoordeeld in de Gigawatt, dat betekent duizend megawatt of miljarden Watt), zou je 1000 keer zoveel nodig hebben-het equivalent van ongeveer 2000 windturbines of misschien een miljoen zonnedaken. (Die vergelijkingen veronderstellen dat onze zon en wind produceren maximale output.) Zelfs als zonnecellen schone en efficiënte bronnen van energie zijn,een ding dat ze niet echt kunnen beweren te zijn op dit moment is efficientuses van land. Zelfs die enorme zonneparken die nu overal oprijzen, produceren slechts bescheiden hoeveelheden elektriciteit (meestal ongeveer 20 megawatt, of ongeveer 1 procent zoals een grote 2 gigawatt kolen-of kerncentrale). Het Britse renewablebedrijf Ecotricity schat dat er ongeveer 22.000 panelen over een 12 hectare groot terrein moeten worden gelegd om 4,2 megawatt stroom te genereren, ongeveer evenveel als twee grote windturbines en genoeg om 1200 huizen van stroom te voorzien.

power to the people

Foto: Een micro-windturbine en een zonnepaneel werken samen om een bank van batterijen die houden deze snelweg bouw Waarschuwingsbord verlicht dag en nacht. Het zonnepaneel is naar boven gericht gemonteerd op het platte gele “deksel” dat je net boven op het display kunt zien.sommige mensen vrezen dat zonneparken land zullen opslokken dat nodig is voor echte landbouw en voedselproductie. Zorgen maken Overland-take mist een cruciaal punt als we het hebben over het plaatsen van zonnepanelen op binnenlandse daken. Milieuactivisten zouden beweren dat het echte doel van zonne-energie niet is om grote, gecentraliseerde zonne-energiecentrales te creëren (zo kunnen krachtige nutsbedrijven elektriciteit blijven verkopen aan machteloze mensen met een hoge winst), maar om verouderde, inefficiënte, gecentraliseerde energiecentrales te verdringen door mensen toe te staan zelf stroom op te nemen op de plaats waar ze het gebruiken. Dat elimineert de inefficiëntie van de opwekking van elektriciteit uit fossiele brandstoffen, de vervuiling en de uitstoot van kooldioxide die zij veroorzaken, en maakt ook een einde aan de inefficiëntie van de overdracht van energie van het punt van opwekking tot het punt van gebruik via bovengrondse of ondergrondse elektriciteitsleidingen. Zelfs als je je hele dak moet bedekken met zonnepanelen(of laminaat dunne-film zonnecellen op al je ramen), als je je volledige elektriciteitsbehoefte (of zelfs een groot deel daarvan) zou kunnen voldoen, zou het niet uitmaken: je dak is toch gewoon ruimteverspilling.Volgens een rapport uit 2011 van de European Photovoltaic industry association en Greenpeace, is het niet echt nodig om waardevolle landbouwgrond met zonnepanelen te dekken: ongeveer 40 procent van alle daken en 15 procent van de gevels van gebouwen in de EU-landen zouden geschikt zijn voor Pvpanelen, wat tegen 2020 ongeveer 40 procent van de totale vraag naar elektriciteit zou bedragen.

Het is belangrijk om niet te vergeten dat zonne—energie de opwekking van elektriciteit naar het punt van energieverbruik verplaatst-en dat heeft grote praktische voordelen. Op zonne-energie aangedreven polshorloges en rekenmachines hebben theoretisch geen batterijen nodig (in de praktijk hebben ze wel batterijback-ups) en velen van ons zouden genieten van smartphones op zonne-energie die nooit hoeven te worden opgeladen. Weg-en spoorwegborden zijn nu soms op zonne-energie;knipperende noodonderhoudsborden hebben vaak zonnepanelen zodat ze kunnen worden ingezet in zelfs de meest afgelegen locaties. In ontwikkelingslanden, rijk aan zonlicht maar arm aan elektrische infrastructuur, voeden zonnepanelen Waterpompen, telefoondozen en koelkasten in ziekenhuizen en gezondheidsklinieken.

Waarom is zonne-energie nog niet aangeslagen?het antwoord daarop is een mengeling van economische, politieke en technologische factoren. Uit economisch oogpunt is elektriciteit uit zonnepanelen in de meeste landen nog steeds duurder dan elektriciteit die wordt opgewekt door het verbranden van vuile, vervuilende fossiele brandstoffen. De wereld heeft een enorme investering in de infrastructuur van fossiele brandstoffen en hoewel machtige oliemaatschappijen in zonne-energie-uitlopers hebben gedrongen, lijken ze veel meer geïnteresseerd in het verlengen van de levensduur van de bestaande olie-en gasreserves met technologieën zoals fracking (hydrofracturering). Politiek gezien zijn olie -, gas-en kolenbedrijven enorm machtig en invloedrijk en verzetten ze zich tegen het soort milieuregelgeving dat hernieuwbare technologieën zoals zonne-en windenergie begunstigt. Technologisch gezien zijn zonnecellen, zoals we al hebben gezien, een permanent “work in progress” en een groot deel van de solarinvesteringen in de wereld is nog steeds gebaseerd op technologie van de eerste generatie. Wie weet, zal het misschien nog tientallen jaren duren voordat recente wetenschappelijke adviezen de business case voor zonne-energie echt overtuigend maken?een probleem met dit soort argumenten is dat ze alleen rekening houden met fundamentele economische en technologische factoren en geen rekening houden met de verborgen milieukosten van zaken als olielozingen,luchtverontreiniging, landvernietiging door kolenmijnen of klimaatverandering—en vooral met de toekomstige kosten, die moeilijk of onmogelijk te voorspellen zijn. Het is heel goed mogelijk dat een groeiend bewustzijn van deze problemen de overstap van fossiele brandstoffen zal versnellen, zelfs als er geen verdere technologische vooruitgang is; met andere woorden, de tijd kan komen dat we het ons niet langer kunnen veroorloven om de universele invoering van hernieuwbare energie uit te stellen. Uiteindelijk zijn al deze factoren met elkaar verbonden. Met overtuigend politiek leiderschap kon de wereld zich committeren aan een zonne-revolutie van morgen: de politiek kon technologische verbeteringen doorvoeren die de economie van zonne-energie veranderen.

en economie alleen zou voldoende kunnen zijn. Het tempo van technologie, innovaties in de productie en schaalvoordelen blijven de kosten van zonnecellen en panelen verlagen. Tussen 2008 en 2009 alleen al,volgens de BBC ’s environment analystRoger Harrabin, de prijzen daalden met ongeveer 30 procent, en China’ s toenemende dominantie van de zonne-productie is blijven drijven ze naar beneden sindsdien.Tussen 2010 en 2016 daalden de kosten van grootschalige fotovoltaïek met ongeveer 10-15 procent per jaar, volgens de Amerikaanse Energy Information Administration; over het geheel genomen is de prijs van het overschakelen op zonne-energie in het afgelopen decennium met ongeveer 90 procent gedaald, waardoor de grip van China op de markt verder werd versterkt. Zes van ‘ s werelds top tien zonne-fabrikanten zijn nu Chinees; in 2016 kwam ongeveer twee derde van de nieuwe Amerikaanse zonne-energiecapaciteit uit China, Maleisië en Zuid-Korea.

Foto: zonnecellen zijn niet de enige manier om energie te maken uit zonlicht—of zelfs,noodzakelijkerwijs, de beste manier. We kunnen ook gebruik maken van thermische zonne-energie (het absorberen van warmte uit zonlicht om het water in uw huis te verwarmen), passieve zonne-energie (het ontwerpen van een gebouw om zonlicht te absorberen), en zonnecollectoren (hier afgebeeld). In deze versie verzamelen 16 spiegels zonlicht en concentreren het op een Stirling motor(de grijze doos aan de rechterkant), die een uiterst efficiënte krachtproducent is. Foto door Warren Gretz met dank aan NREL (image id # 6323238).

snel inhalen?

het omslagpunt voor zonne-energie zal naar verwachting aankomen wanneer het iets kan bereiken dat netpariteit wordt genoemd, wat betekent dat zonne-opgewekte elektriciteit die je zelf maakt net zo goedkoop wordt als energie die je van het net koopt. Veel Europese landen verwachten deze mijlpaal in 2020 te bereiken. Zonne-energie heeft de laatste jaren zeker een indrukwekkende groei gekend, maar het is belangrijk te onthouden dat het nog steeds slechts een fractie van de totale wereldenergie vertegenwoordigt. In het Verenigd Koninkrijk bijvoorbeeld, de zonne-industrie pochte van een”mijlpaal prestatie” in 2014 toen het bijna verdubbeld de totale geïnstalleerde capaciteit van zonnepanelen van ongeveer 2,8 GW naar 5 GW. Maar dat vertegenwoordigt nog steeds slechts een paar grote elektriciteitscentrales en, bijmaximale output, slechts 8 procent van de totale elektriciteitsvraag van het Verenigd Koninkrijk van grofweg 60 GW (rekening houdend met dingen als cloudiness zou het verminderen tot een fractie van 8 procent).

volgens de US Energy Information Administration vertegenwoordigt zonne-energie in de Verenigde Staten,waar fotovoltaïsche technologie werd uitgevonden, vanaf 2018 slechts 1,6 procent van de totale elektriciteitsopwekking van het land.Dat is ongeveer 23 procent meer dan in 2017 (toen zonne-energie 1,3 procent was), 80 procent meer dan in 2016 (toen het cijfer 0,9 procent was) en ongeveer vier keer zoveel als in 2014 (toen zonne-energie slechts 0,4 procent was).Toch is het nog steeds ongeveer 20 keer minder dan kolen en 40 keer minder dan alle fossiele brandstoffen. Met andere woorden, zelfs een 10-voudige toename van de Amerikaanse zonne-energie zou het produceren van niet veel meer dan de helft van de elektriciteit als steenkool vandaag(10 × 1,6 = 16 procent, vergeleken met 27,4 procent voor kolen in 2018). Het stelt op te merken dat twee van ‘ s werelds belangrijkste jaarlijkse energiebeoordelingen,de BP Statistical Review of World Energy en de belangrijkste Wereldenergiestatistieken van het Internationaal Energieagentschap, nauwelijks solarpower vermelden, behalve als voetnoot.

grafiek: zonne-energie maakt elk jaar meer van onze elektriciteit, maar nog lang niet zoveel als steenkool. Deze grafiek vergelijkt het percentage elektriciteit dat in de Verenigde Staten wordt opgewekt door solarpower (groene lijn) en steenkool (rode lijn). De situatie is in sommige landen beter en in andere slechter.Getekend door explainthatstuff.com gebruik van historische en actuele gegevens van de US Energy Information Administration.

zal dat binnenkort veranderen? Misschien wel. Volgens een paper uit 2016 van onderzoekers van de Universiteit van Oxford,dalen de kosten van zonne-energie nu zo snel dat het op koers is om 20 procent van de energiebehoeften van de wereld in 2027 te voorzien, wat een stap zou zijn van waar we nu zijn,en een veel snellere groei dan iemand eerder heeft voorspeld. Kan dat groeitempo aanhouden? Kan zonne-energie echt een verschil maken voor de klimaatverandering voordat het te laat is? Let op deze ruimte!

een korte geschiedenis van zonnecellen

• 1839: De Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel (vader van radioactiviteit pionier Henri Becquerel) ontdekt dat sommige metalen foto-elektrisch zijn: ze produceren elektriciteit bij blootstelling aan licht.1873: de Engelse ingenieur Willoughby Smith ontdekt dat selenium een bijzonder effectieve fotogeleider is (het wordt later gebruikt door Chester Carlson in zijn uitvinding van het fotokopieerapparaat).1905: de in Duitsland geboren natuurkundige Albert Einstein ontdekt de fysica van het foto-elektrisch effect, een ontdekking die hem uiteindelijk een Nobelprijs oplevert.
• 1916: De Amerikaanse natuurkundige Robert Millikan bewijst Einsteins theorie experimenteel.1940: Russell Ohl van Bell Labs ontdekt per ongeluk dat een gedoteerde junction semiconductor een elektrische stroom zal produceren bij blootstelling aan licht.1954: Bell Labs onderzoekers Daryl Chapin, Calvin Fuller en Gerald Pearson maken de eerste praktische fotovoltaïsche zonnecel van silicium, die ongeveer 6 procent efficiënt is (een latere versie beheert 11 procent). Ze kondigen hun uitvinding aan—aanvankelijk de “zonnebatterij”genoemd—op 25 April.
• 1958: Vanguard, Explorer, en Spoetnik ruimtesatellieten beginnen met behulp van zonnecellen.1962: 3600 van de Bell-zonnebatterijen worden gebruikt voor de aandrijving van Telstar, de baanbrekende telecommunicatiesatelliet.1997: de federale regering van de VS kondigt haar Million Solar daken initiative aan—om tegen 2010 een miljoen zonnedaken te bouwen.
• 2002: NASA lanceert zijn Pathfinder Plus zonnevliegtuig.
• 2009: wetenschappers ontdekken dat perovskietkristallen een groot potentieel hebben als fotovoltaïsche materialen van de derde generatie.
• 2014: Een samenwerking tussen Duitse en Franse wetenschappers levert een nieuw record van 46 procent efficiëntie op voor een vierkoppige zonnecel.
• 2020: naar verwachting zullen zonnecellen netpariteit bereiken (zonne-opgewekte elektriciteit die u zelf maakt, zal net zo goedkoop zijn als stroom die u van het net koopt).
• 2020: perovskiet-silicium cellen beloven een grote toename in zonne-efficiëntie.