Zonne-energie: van zonlicht tot stroom

Net buiten de aardatmosfeer schijnt de zon met een vermogen van 1367 Watt op een vierkante meter oppervlak dat naar de zon is gericht. Dit is een vermogen dat continu vanaf de zon naar de aarde straalt. Aan het aardoppervlak in Nederland blijft hier op een zomerse wolkeloze dag nog 1000 Watt per vierkante meter aan vermogen over – de aardatmosfeer heeft de rest geabsorbeerd. Maar het vermogen zegt nog niets over de hoeveelheid energie die je hiermee kunt opwekken. Immers, hiervoor moet je weten hoeveel uren de zon effectief schijnt. Als je rekening houdt met dag-en-nacht, de seizoenen en de bewolking, dan hebben we in Nederland gemiddeld 1000 van deze uren volle zon per jaar. In de zomer hebben we uiteraard meer zon dan in de winter, en het Nederlandse weer kenmerkt zich ook door veel dagen met bewolking, maar als we dit allemaal omrekenen naar uren volle zon, dan komt de hoeveelheid zon in een heel jaar op 1000 uur uit. Ter vergelijking: ter hoogte van de evenaar, in de Sahara, zijn er jaarlijks zo’n 3000 effectieve zonuren, dus (slechts) drie maal zoveel als in Nederland.

Over een heel jaar gemeten straalt er in Nederland op een vierkante meter oppervlak dus ongeveer 1000 uur maal 1000 Watt = 1000 kWh ‘zonne-energie’ in. Welk deel van je huishoudelijke energieverbruik kun je hiermee bestrijken? Een gemiddeld Nederlands huishouden verbruikt jaarlijks zo’n 3000 kWh aan elektriciteit. Daarnaast verbruikt een gemiddelde Nederlandse woning zo’n 1300 m3 aardgas per jaar, grotendeels voor verwarming. Bij een energiedichtheid van 31 MJ per m3 aardgas levert het gas in dat jaar iets meer dan 11.000 kWh aan ‘behaaglijke warmte’ – dus bijna vier maal zoveel thermische energie als elektrische energie.

Laten we eens wat dieper in het elektrische gedeelte duiken, en welke rol zonnecellen hierin spelen. De tegenwoordig gangbare zonnecellen van polykristallijn silicium zetten met een rendement van 15% zonlicht om in nuttige elektriciteit. 1000 kWh zonne-energie komt dus overeen met 150 kWh aan nuttige elektriciteit. Dus als je 20 m2 aan dakoppervlak beschikbaar hebt – bij voorkeur gericht op het zuiden waar de zon het krachtigst schijnt – kun je in theorie met zonnecellen in de elektriciteitsbehoefte van je eigen huishouden voorzien. Los van het feit dat niet elk Nederlandse gezin zo’n groot dak heeft, zijn er in de praktijk nog wel een paar hordes te nemen. Een belangrijke horde is het gegeven dat het moment dat de energie beschikbaar komt, en het moment dat de energie nodig is, niet altijd hetzelfde is. Zo werken zonnecellen ‘s avonds en ‘s nachts niet terwijl je toch wel TV wilt kijken of een boek wilt kunnen lezen. En schijnt de zon in de zomer meer dan in de winter, terwijl bijvoorbeeld de behoefte aan elektrisch kunstlicht in de winter juist groter is. Om deze tussentijd te overbruggen is opslag van energie belangrijk, bijvoorbeeld in de vorm van batterijen, of kun je de overtollige elektriciteit aan het stroomnet leveren voor gebruik door anderen.

Zonnecel
Een zonnecel zet (zon)licht direct om in elektriciteit via het fotovoltaïsche effect – in het Engels afgekort met ‘PV’ van photovoltaic. Lichtdeeltjes oftewel fotonen uit het zonlicht vallen op een zonnepaneel, waar halfgeleidende materialen zoals silicium deze lichtdeeltjes absorberen. Bij deze absorptie worden elektronen als het ware losgeslagen van hun (silicium)atomen waardoor ze vrij door het materiaal kunnen bewegen. En bewegende geladen deeltjes vormen nu net de definitie van ‘elektrische stroom’. In zekere zin zijn een zonnecel en een LED (licht-emitterende diode) elkaars tegenovergestelde: bij een LED-lamp wordt elektrische energie omgezet in licht, en een zonnecel zet licht om in elektrische energie.

Kristallijne silicium zonnecellen
Silicium is van oudsher bij uitstek hét materiaal voor zonnecellen. Plaatjes monokristallijn of polykristallijn silicium met een dikte van zo’n 0,3 millimeter vormen hier de basis. Voor silicium is de minimale energiekloof die overbrugd moet worden om een elektron los te slaan van een siliciumatoom (de zogenaamde band gap) 1,1 elektronvolt (eV), waarna dit elektron vrij door het materiaal kan bewegen. Zichtbaar zonlicht heeft een golflengte tussen 400 en 800 nm met bijbehorende energieniveaus van de lichtdeeltjes tussen 1,5 en 3,1 eV, dus zonlicht heeft voldoende energie voor zo’n overbrugging. Bij deze ‘bevrijdingsactie’ blijft er een elektrongat met positieve lading achter in het siliciumatoom. En net als een ‘vrij elektron’ kan zo’n elektrongat ook door het materiaal bewegen, als zo’n gat door een elektron in de buurt wordt opgevuld – waarbij dat bewuste elektron op zijn beurt weer een gat achterlaat. Kortom, bij de absorptie van een lichtdeeltje door het silicium gaat de energie van dat lichtdeeltje over op de combinatie van het mobiele elektron en het mobiele elektrongat. Als je dit elektron nu buiten de zonnecel zijn energie laat afgeven, dan kun je deze energie nuttig gebruiken – het principe van zonne-energie.

Principe van de zonnecel

De p-n-overgang
Maar er is één probleem … De zojuist ontstane elektronen en elektrongaten kunnen direct weer met elkaar ‘terug’ combineren tot licht of energie, waardoor de exercitie tot op heden zinloos is geweest. Daarom is het nodig om deze elektronen en elektrongaten direct van elkaar te scheiden. Hiervoor zorgt een essentieel onderdeel van de zonnecel: de p-n-overgang. Dit is een grensvlak tussen enerzijds silicium met een overschot aan vrije elektronen (n-type silicium), en anderzijds silicium met veel elektrongaten (p-type silicium). In n-type silicium is een klein deel van de siliciumatomen met vier valentie-elektronen vervangen door fosfor met vijf valentie-elektronen. Dit extra elektron maakt geen onderdeel uit van de binding tussen de atomen, en kan nu als een vrij elektron door het rooster bewegen. In p-type silicium is een klein deel van de siliciumatomen met vier valentie-elektronen vervangen door boor met drie valentie-elektronen. Dit booratoom wil graag een extra elektron aan zich binden, en onttrekt dit elektron aan een naburig siliciumatoom waardoor daar een elektrongat overblijft. Ook dit elektrongat kun je zien als een geladen deeltje dat vrij door het rooster kan bewegen.

Links: n-type halfgeleider, silicium (Si) gedoteerd met fosfor (P); rechts: p-type halfgeleider, silicium (Si) gedoteerd met boor (B)

Wat gebeurt er als je zo’n n-type met p-type silicium in contact brengt? Op het grensvlak combineren de aanwezige elektronen en de elektrongaten tot een neutraal ‘iets’ onder afgifte van energie. Alle mobiele ladingdragers verdwijnen in dit gebiedje. Het enige dat overblijft zijn onbeweeglijke positieve restanten aan de n-zijde en onbeweeglijke negatieve restanten aan de p-zijde. Deze ladingsverdeling leidt tot een ingebouwde potentiaal op de p-n-overgang. Dit inwendige elektrische veld vormt een drijvende kracht om de positief geladen deeltjes de ene kant op de sturen, en de negatief geladen deeltjes de andere kant. Kortom, dit grensvlak is de ideale plek om elektronen en elektrongaten van elkaar te scheiden.
De door de lichtabsorptie gecreëerde vrije elektronen gaan dus naar de n-kant, en de elektrongaten naar de p-kant. De elektronenstroom wordt buiten de cel om van de ‘n-kant’ naar de ‘p-kant’ geleid, waar de elektronen nuttige elektrische energie kunnen leveren. Op het moment dat zo’n elektron aan de ‘p-kant’ weer met een elektrongat recombineert is de cirkel rond.

Het theoretisch maximale rendement voor deze kristallijne silicium zonnecellen – dus de fractie aan zonlicht die in elektrische energie kan worden omgezet – ligt op zo’n 33%. Dit heeft deels te maken met de band gap van 1,1 eV voor silicium. Sowieso hebben fotonen met minder energie dan 1,1 eV – of een golflengte van meer dan 1127 nm, in het nabije infrarood – te weinig energie om door het silicium geabsorbeerd te worden. Bovendien bezitten fotonen van meer dan 1,1 eV – dus bijvoorbeeld in het zichtbare licht – meer energie dan nodig is om één elektron uit het silicium vrij te maken, waarbij de overige energie in (nutteloze) warmte overgaat. Daar komt nog bij dat er energie verloren kan gaan bij een voortijdige recombinatie van elektron en elektrongat binnen het silicium, dus voordat deze deeltjes de kans hebben om de zonnecel te verlaten. In de praktijk hebben deze zonnecellen een rendement van 15-20%.

Andere materialen
Naast silicium als functioneel materiaal bestaat een zonnepaneel verder voornamelijk uit glas en aluminium. Een transparante laag glas beschermt het onderliggende silicium tegen weer en wind, maar laat wel zonlicht door. Het dragende frame is van aluminium. Dunne lijntjes zilverpasta verbinden de zonnecellen onderling elektrisch aan elkaar, en de stroom wordt verder afgevoerd met koperen kabels. Folies van ethyleen-vinyl-acetaat lijmen de verschillende onderdelen aan elkaar, en een achterplaat (‘backsheet’) van polyvinylfluoride geeft het paneel een waterdichte afwerking. De bekende (donker)blauwe kleur van deze zonnecellen komt door een 70 nanometer dunne transparante antireflectiecoating van siliciumnitride die via CVD (chemische depositie vanuit de dampfase) wordt aangebracht.

Dunnelaagsystemen
De eerste generatie kristallijne silicium zonnecellen domineert nu nog steeds de commerciële markt. Maar zonnecellen van de tweede generatie, waar ‘dunne laag’ het toverwoord is en die de nadelen van hun voorgangers deels ondervangen, hijgen hen in de nek. Vervaardigingstechnieken zoals CVD en PVD (fysische depositie vanuit de dampfase) die al bekend zijn uit de micro-elektronica, coatings en displays worden gebruikt voor deze dunnelaagsystemen. Zo’n systeem is niet meer zelfdragend, dus je moet de dunne laag aanbrengen op een substraat, zoals goed gekozen flexibele kunststof folies – ook grote rollen – of glas of metaal.
Traditionele zonnecellen van de eerste generatie bevatten relatief veel silicium. Als je de laagdikte van het silicium naar beneden kunt brengen, zeg van 0,3 mm naar 3 μm, dan kun je hierop besparen. Omdat silicium met (PE)CVD bij een relatief lage temperatuur van zo’n 200 °C wordt aangebracht, kristalliseert het materiaal niet uit maar blijft het in de amorfe toestand. Door zo’n lage aanbrengtemperatuur kun je het silicium op veel verschillende substraten aanbrengen. Het rendement van zonnecellen op basis van amorf silicium is aanzienlijk lager dan van hun kristallijne tegenhangers, en heeft een waarde van zo’n 10%.
Een ander type zonnecellen van de tweede generatie bevat de elementen koper, indium, gallium en seleen, en staat bekend als de CIGS- zonnecel als Engelse afkorting voor deze vier elementen. Het grensvlak tussen een 50 nm dunne CdS-laag (n-type halfgeleider) en een 2,5 μm dunne CIGS-laag (p-type halfgeleider) vormt hier de p-n-overgang. De n-type halfgeleider wordt nog uitgebreid met een transparante (gedoteerde) geleidende ZnO-laag die tevens dient als elektrode om de elektronen af te voeren. Het invallende zonlicht schijnt aan de ‘n-kant’ door deze transparante geleider. Aan de andere kant vormt een 1 μm dunne laag van het metaal molybdeen de elektrode aan de ‘p-kant’ waar de elektronen de zonnecel weer binnenkomen. Net onder deze elektrode bevindt zich het substraat waarop deze micron-dunne zonnecel is aangebracht. Het rendement van de CIGS- zonnecel komt in de buurt van het rendement van de eerste generatie kristallijne silicium zonnecellen.

Dit is een bijgewerkte versie van het hoofdstuk “Zonne-energie” uit het boek “Kennismaken met materialen“ (klik op de link voor bestelinformatie).