ZONNECELLEN: ELEKTRICITEIT ZONDER BEWEGING

Transcriptie

1 ZONNECELLEN: ELEKTRICITEIT ZONDER BEWEGING FOCUS Zonnecellen zetten stralingsenergie van de zon om in elektrische energie. In eerste instantie werden ze vooral gebruikt op plaatsen waar geen andere elektriciteitsvoorziening beschikbaar was, zoals bijvoorbeeld bij lichtboeien op zee of satellieten die rond de Aarde draaien. Maar tegenwoordig zie je ook op bedrijfsterreinen, in woonwijken en langs autosnelwegen steeds meer panelen met zonnecellen. Zonnecellen worden ook in speelgoed, rekenmachines en veel andere kleinere elektronische toestellen gebruikt. Figuur 1: Veelzijdig gebruik van zonnecellen Het gebruik van zonne-energie kent ook meer en meer een opmars in derdewereldlanden waar kleinere steden en dorpen zich vaak op behoorlijk wat kilometers bevinden van de dichtstbijzijnde elektriciteitscentrale. Met wat halfgeleidertheorie is de werking van een zonnecel vlot begrijpbaar. Dit laat ondermeer toe een equivalent schema met bijhorende spanning-stroom-karakteristiek op te stellen dat het gedrag van een zonnecel beschrijft. GELEIDERS, ISOLATOREN EN HALFGELEIDERS Een atoom bevat een positieve kern met protonen (positieve ladingen) en neutronen (neutrale ladingen) en daar rond flitsen negatief geladen elektronen voorbij in een elektronenwolk. De negatief geladen elektronen bevinden zich op een vaste baan rond de kern en kunnen niet voor elektrische geleiding zorgen. Figuur 2: Atoom-model

2 Opdat een elektron voor geleiding kan zorgen, moet het vrij komen van zijn atoom. Dit vereist energietoevoer die het elektron toelaat vanuit de valentieband (hoort nog vast bij het atoom) naar de geleidingsband (vrij van het atoom) te gaan. Tussen de valentieband en de geleidingsband is een energiekloof aanwezig die overbrugd moet worden. Figuur 3: Geleiders, isolatoren en halfgeleiders Bij een metaal is die energiekloof zeer klein of nihil zodat metalen goede geleiders zijn want de elektronen bevinden zich zonder problemen in de geleidingsband. Bij een isolator is deze energiekloof zeer groot en bijna niet overbrugbaar zodat deze (bijna) niet geleiden. Een halfgeleider heeft een energiekloof die beter overbrugbaar is. Bij halfgeleider zonnepanelen zorgt de energie-inhoud van het invallend licht er voor dat elektronen vanuit de valentieband naar de geleidingsband kunnen overgaan. Er zijn flink wat halfgeleidermaterialen verkrijgbaar zoals bijvoorbeeld silicium, germanium, galliumarsenide. Vooral silicium wordt veelvuldig gebruikt bij gelijkrichters (diodes), elektronische versterkers (transistoren), LED s, fotovoltaïsche cellen. Naast deze anorganische halfgeleiders, worden ook organische halfgeleiders (bijvoorbeeld polyethyn, anthraceen) gebuikt. Men vindt ze ondermeer in OLED s (organische LED s) die gebruikt worden in sommige MP3-spelers, GSM s, duikershorloges of zelfs keyboards (het softwarepakket wijzigt het opschrift van de toetsen in functie van de behoeften). Figuur 4: Display op basis van OLED s Figuur 5: Keyboard op basis van OLED s

3 DE ENERGIEBIJDRAGE VAN HET ZONLICHT Zoals met een prisma aangetoond kan worden, bestaat het zonlicht uit een combinatie van meerdere lichtkleuren, de zogenaamde regenboogkleuren of spectrumkleuren. Figuur 6: De regenboogkleuren Naast het violette, blauwe, groene, gele, oranje en rode licht waar het menselijk oog gevoelig voor is, bevat het zonlicht ook ultraviolet en infrarood licht dat voor het menselijk oog onzichtbaar is. Dit licht, dat een elektromagnetische golf is, beweegt zich voort met de lichtsnelheid c ( km/s in het luchtledige). Verschillende lichtkleuren zijn elektromagnetische golven met een verschillende frequentie. De voortplantingssnelheid c is niet afhankelijk van de frequentie. De golflengte (uitgedrukt in m) is per definitie de afstand dat het licht aflegt in 1 periode T (uitgedrukt in s). Aangezien de periode T omgekeerd evenredig is met de frequentie f (uitgedrukt in Hz), geldt dat c. f Het zichtbare licht heeft golflengtes die variëren tussen 340 nm en 760 nm (1 nm = 10-9 m = 0, mm). De kleinste golflengte komt overeen met violet licht dat een grotere frequentie heeft. De grootste golflengte komt overeen met rood licht dat een kleinere frequentie heeft. Violet Blauw Groen Geel Oranje Rood Utraviolet Zichtbaar Infrarood nm figuur 7: Gedeelte van het elektromagnetisch spectrum Figu Licht kan beschouwd worden als een stroom energiepakketjes, fotonen genoemd. De energieinhoud van een dergelijk foton kan bepaald worden met behulp van de wet van Planck: E h. f

4 E (uitgedrukt in Joule) is de energie-inhoud van het foton. f is de frequentie van het foton 34 (uitgedrukt in Hertz) en h is de constante van Planck ( 6,63 10 Js ). Dit betekent dat de energie-inhoud evenredig is met de frequentie zodat: ultraviolet licht meer energie bevat dan gewoon violet licht, violet licht meer energie bevat dan rood licht, rood licht meer energie bevat dan infrarood licht. In Tabel 1 zijn de energie-inhouden voor verschillende fotonen berekend. Gebied Golflengte Frequentie Energie Energie Beginwaarden nm Hz J ev Ultraviolet 3 1,00E+17 6,63E ,86 Violet 340 8,82E+14 5,85E-19 3,65 Indigo 400 7,50E+14 4,97E-19 3,10 Blauw 435 6,90E+14 4,57E-19 2,85 Cyaan 500 6, ,98E-19 2,48 Groen 546 5,49E+14 3,64E-19 2,27 Geel 600 5,00E+14 3,32E-19 2,07 Oranje 700 4,29E+14 2,84E-19 1,77 Rood 760 3,95E+14 2,62E-19 1,63 Kortgolvig infrarood 780 3,85E+14 2,55E-19 1,59 Middengolvig ,50E+14 9,95E-20 0,62 infrarood Langgolvig infrarood ,50E+13 4,97E-20 0,31 Microgolven ,00E+13 1,99E-20 0,12 Tabel 1: Indeling van het spectrum volgens golflengte, frequentie en energie 19 Deze energie-inhoud wordt niet enkel uitgedrukt in J, maar ook in ev ( 1eV 1, J ). Dit is de energie nodig om een lading gelijk aan dat van een elektron (1,602x10-19 C) te verplaatsen over een potentiaalverschil van 1V. Het is de taak van een zonnecel om zoveel mogelijk de energie aanwezig in de fotonen van het invallende zonlicht om te zetten in elektrische energie. HET WERKINGSPRINCIPE VAN EEN ZONNECEL Net zoals een diode, is een zonnecel opgebouwd uit een PN-junctie. Het N-materiaal is dun en er valt zonlicht op in zoals weergegeven in Figuur 8. Boven het N-materiaal is een elektrode (meestal uit zilver) aangebracht die een zo klein mogelijk oppervlak van het N-materiaal bedekt teneinde het invallende zonlicht zo weinig mogelijk te belemmeren. Onder het P- materiaal is een tweede elektrode aangebracht. Wanneer een foton met voldoende energie-inhoud invalt, is het in staat om een elektron van een silicium atoom vanuit de valentieband naar de geleidingsband te brengen. Een elektron in de geleidingsband is niet langer aan het silicium atoom gebonden zodat het voor geleiding kan zorgen.

5 LICHT Stralingsgeïnduceerde stroom Elektrode voorzijde Antireflexlaag U - + Verbruiker RL N-laag Stralingsgeïnduceerde spanning Elektrisch veld P-laag I E I NP Elektrode achterzijde Diffusie van ladingsdragers Figuur 8: Interne bouw van een zonnecel De vrije elektronen die via het invallende zonlicht in het N-materiaal bekomen worden, willen naar het P-materiaal stromen. De stroom die hieruit voortvloeit wordt evenwel verhinderd door de verarmingslaag. Er vloeit dan ook een stroom I E via een parallel geplaatste verbruiker (weerstand) van het N-materiaal naar het P-materiaal zoals weergegeven in Figuur 9 (zowel de elektronenstroomzin I E als de conventionele stroomzin I C is weergegeven). De stroom die door deze verbruiker vloeit zorgt er voor dat er over de zonnecel en de verbruiker eenzelfde spanning U staat zoals weergegeven in Figuur 9. Bemerk dat de polariteit van spanning en stroom aangeven dat de zonnecel effectief als een energiebron functioneert. LICHT IE N P - - U + + verbruiker R L Figuur 9: Belichte zonnecel belast met een verbruiker De polariteit van deze spanning is van die aard dat de verarmingslaag afgebouwd wordt zoals bij het aanleggen van een positieve spanning over een diode. Dit betekent dat nu niet enkel via de verbruiker, maar ook doorheen de zonnecel zelf (dus doorheen de verarmingslaag) een elektronenstroom van het N-materiaal naar het P-materiaal vloeit. IC HET EQUIVALENT SCHEMA VAN EEN ZONNECEL Bij een zonnecel zorgt het invallende zonlicht op het N-materiaal voor een conventionele stroom I NP wanneer de invallende fotonen voldoende energie-inhoud hebben om elektronen van de valentieband in de geleidingsband te brengen. Deze totale stroom I NP kan opgesplitst worden in een stroom I RL die via de externe verbruiker R L vloeit en I D die doorheen de verarmingslaag (dus intern in de zonnecel) vloeit.

6 Hoe groter R L, hoe hoger U en hoe meer de verarmingslaag afgebouwd wordt. Dit heeft tot gevolg dat I D toeneemt en I RL afneemt. Het intern pad langs welke I D vloeit kan dan ook effectief als een diode gemodelleerd worden zoals weergegeven in Figuur 10. Figuur 10 toont het equivalent schema van een zonnecel waarbij de opgewekte stroom I NP gemodelleerd wordt met behulp van een ideale stroombron. In Figuur 14 wordt steeds de conventionele stroomzin weergegeven. R S - I NP U I D R L + I RL Figuur 10: Equivalent schema van een zonnecel - elektronenstroom De weerstand R S brengt de spanningsval in rekening die ondermeer voortvloeit uit de weerstand van de geleiders tussen zonnecel en belasting, de contactweerstand tussen de elektrodes en het halfgeleider materiaal, de weerstand van het halfgeleidermateriaal. HET INVALLENDE ZONLICHT Opdat elektronen vanuit de valentieband naar de geleidingsband zouden kunnen overgaan, moet de energie-inhoud van de invallende fotonen groter zijn dan de energiekloof tussen valentieband en geleidingsband (1,11 ev bij silicium). Uit Tabel 1 blijkt duidelijk dat de energie-inhoud van het zichtbare licht voldoende is om bij silicium een elektron van de valentieband in de geleidingsband te brengen. Tabel 1 laat ook toe te besluiten dat het grootste gedeelte van het infrarode licht niet beschikt over voldoende energie-inhoud om elektronen van de valentieband in de geleidingsband te brengen. Een zonnecel op basis van silicium is dan ook nauwelijks in staat de energie aanwezig in infrarood licht om te zetten naar elektrische energie. Wil men toch gebruik maken van licht met hogere golflengtes (zoals infrarood), dus fotonen met een kleinere energie-inhoud, dan moet gebruik gemaakt worden van een ander halfgeleidermateriaal met een kleinere energiekloof. Bij germanium is de energiekloof slechts 0,67 ev in plaats van 1,11 ev (Indium(III)arsenide: 0,36 ev en Lead(II)telluride: 0,29 ev). Recent is trouwens een nieuw type zonnecel ontwikkeld dat in staat moet zijn om, gebruik makend van antennes op nanoschaal, de energie in het infrarode spectrum om te zetten in elektrische energie. Dit type zonnecel, afgebeeld in Figuur 11, kan bijvoorbeeld toelaten om ook tijdens de nacht elektrische energie op te wekken. Mogelijks hebben deze zonnecellen op basis van nano-antennes het potentieel de klassieke zonnecellen te vervangen.

7 Figuur 11: Zonnecel met nano-antennes DE SPANNING-STROOM-KARAKTERISTIEK Figuur 12 toont de spanning-stroom-karakteristiek van een zonnecel. In streeplijn is de karakteristiek weergegeven indien de zonnecel niet belicht is. Een belichte zonnecel zal, ten gevolge van I NP, een karakteristiek hebben die bij benadering naar onderen toe verschoven is. Hierbij is vooral het vierde kwadrant belangrijk (positieve spanning en negatieve stroom) want daar levert de zonnecel energie aan een belasting. I donker Voc V Vmp Imp belicht Isc Figuur 12: Spanning-stroom-karakteristiek van een zonnecel: onbelicht en belicht Bemerk dat in Figuur 12 de spanning-stroom-karakteristiek van een belichte zonnecel mede bepaald is door de kortsluitstroom I SC (SC = Short Circuit) waarbij ten gevolge van de kortsluiting U = 0. de open klemspanning U OC (OC = Open Circuit) waarbij ten gevolge van de open keten I = 0. Wanneer in het vierde kwadrant van Figuur 12 de polariteiten van spanning en stroom zo herkozen worden dat beiden positief zijn, dan wordt een spanning-stroom-karakteristiek zoals

8 in Figuur 13 bekomen. De karakteristiek van Figuur 13 kan afgeleid worden uit het equivalent schema van Figuur 10 en kan in de praktijk opgemeten worden door de zonnecel: - met een constante lichtinval te belichten, - met een variabele weerstand te belasten en bij elke belasting zowel spanning als stroom op te meten. I Isc Voc U Figuur 13: Spanning-stroom-karakteristiek van een zonnecel Zolang de belastingsweerstand niet al te groot is, zal bij stijgende belastingsweerstand de spanning toenemen zonder dat de stroom noemenswaardig daalt. Bij deze spanning zal de diode in het equivalent schema van Figuur 10 nauwelijks geleiden. Als de belastingsweerstand evenwel te veel stijgt, zal de diode in Figuur 10 meer en meer geleiden zodat de netto geleverde stroom aan de belasting begint te dalen. Uiteindelijk wordt I D gelijk aan I NP zodat de zonnecel niet langer stroom kan leveren aan de belasting. LICHTINVAL EN TEMPERATUUR BEÏNVLOEDEN DE SPANNING-STROOM- KARAKTERISTIEK Bij minder lichtinval worden minder elektronen vrijgemaakt en zal de stroom I NP kleiner worden. Figuur 14 toont bij verschillende instralingen de spanning-stroom-karakteristiek van een zonnepaneel opgebouwd uit meerdere zonnecellen. Stroom [ma] W/m² 800W/m² 600W/m² 400W/m² T = constante (bijvoorbeeld 25 C) 1 200W/m² Spanning [V] Figuur 18: Spanning-stroom-karakteristiek bij wijzigende lichtinval De lichtinval is sterk afhankelijk van het weer en dus ook van het seizoen. Figuur 15 geeft de gemiddelde instraling weer te Ukkel en toont duidelijk dat de instraling tijdens de

9 zomermaanden heel wat groter is dan tijdens de wintermaanden. Het donkere gedeelte geeft de directe instraling weer en het doorzichtige gedeelte geeft de diffuse instraling weer. Het is uiteraard heel aannemelijk dat vooral tijdens de zonnige dagen (en die heb je vooral in de zomer) de zonnecellen elektrische energie zullen leveren. Figuur 15: Seizoensgebonden zonne-instraling op een horizontaal vlak te Ukkel Teneinde, vooral de directe instraling, op de zonnecellen te maximaliseren is het nuttig een zonnevolger te gebruiken. Via lichtsensoren wordt gedetecteerd vanuit welke windrichting en vanuit welke hoogtehoek het zonlicht invalt. Via een regelsysteem met elektromotoren wordt het paneel met zonnecellen zo gericht dat het zonlicht loodrecht invalt op de zonnecellen. Figuur 16: Zonnevolger Niet enkel de lichtinval beïnvloedt de spanning-stroom-karakteristiek, de temperatuur heeft eveneens een invloed. Inderdaad, vrije elektronen ontstaan niet alleen ten gevolge van invallende fotonen maar ook door thermische effecten. Indien de temperatuur toeneemt zullen meer vrije elektronen gegenereerd worden zodat de kortsluitstroom I SC toeneemt. De hogere temperatuur zorgt er evenwel voor dat reeds bij een lagere spanning de diode in het equivalent schema van Figuur 10 begint te geleiden. Dit heeft tot gevolg dat bij een hogere temperatuur I SC weliswaar groter is maar dat de stroom ook sneller daalt en op nul valt wanneer de belastingsweerstand in waarde toeneemt.

10 I T > T Figuur 21: Spanning-stroom-karakteristiek bij wijzigende temperatuur Door de spanning-stroom-karakteristieken van Figuur 14 en Figuur 17 te combineren kan globaal gesteld worden dat een maximale energieopbrenst bekomen wordt tijdens een koude maar erg zonnige winterdag. Inderdaad, voldoende lichtinval bij een lage temperatuur laat toe een maximaal elektrisch vermogen aan de zonnecellen te onttrekken. U Bron: Katholieke Hogeschool Brugge Oostende Auteurs: Sacha Cleeren, Joan Peuteman