Technische- en bedrijfseconomische studie van fotovoltaïsche systemen

Transcriptie

1 Technische- en bedrijfseconomische studie van fotovoltaïsche systemen ing. Bart Verhelst Interne promotor: Externe promotor: prof. Luc Keuleneer prof. dr. ir. ing. Jan Desmet Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in het industrieel beheer Vakgroep Technische Bedrijfsvoering Voorzitter: prof. dr. ir. Hendrik Van Landeghem Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar

2

3 Technische- en bedrijfseconomische studie van fotovoltaïsche systemen ing. Bart Verhelst Interne promotor: Externe promotor: prof. Luc Keuleneer prof. dr. ir. ing. Jan Desmet Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in het industrieel beheer Vakgroep Technische Bedrijfsvoering Voorzitter: prof. dr. ir. Hendrik Van Landeghem Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar

4 IV Dankwoord Bij het voorleggen van deze masterproef wens ik een woord van dank uit te drukken aan een aantal personen daar deze zonder hun hulp en steun nooit tot stand zou zijn gekomen. In eerste instantie wens ik mijn dank uit te drukken aan mijn promotoren prof. Keuleneer en prof. Desmet voor hun ondersteuning en adviezen bij het uitvoeren van de studie en de evaluatie van deze masterproef. Eveneens een woord van dank aan alle docenten van de opleiding bedrijfskundig ingenieur bij wie ik boeiende en soms vermoeiende lessen hebben mogen volgen en mij bredere inzichten hebben verschaft in de bedrijfskunde. Het idee voor deze masterproef is gegroeid vanuit een IWT onderzoeksproject uitgevoerd binnen Lemcko. Ik wil dan ook in het bijzonder prof. dr. ir. ing. J. Desmet bedanken om mij de kans te geven deze opleiding te kunnen volgen en dit boeiende onderwerp vanuit de werkomgeving in een masterproef te kunnen implementeren. Daarnaast wens ik eveneens mijn collega s te danken voor het begrip dat ik op vrijdag namiddag mijn taken aan hen kon toevertrouwen en de collegialiteit die ik mocht ervaren. Een bijzonder woord van dank voor Karine Van der Sluis en Ulrik Van den Eeden die mij de kans hebben gegeven een case study uit te werken binnen hun bedrijf. De informatie hieruit is een meerwaarde voor dit werk. Een speciaal woord van dank gaat uit naar mijn ouders en familie voor het geduld en hun blijvende motivatie. In het bijzonder wens ik mijn vrouw Eline te bedanken voor het begrip en geduld die zij opgebracht heeft gedurende de voorbije twee jaar. Zonder hun steun zou ik nooit de tijd gekregen hebben om deze opleiding, gecombineerd met een full time job tot een goed einde te brengen. Bart Verhelst Waregem, juni 2009

5 V Toelating tot bruikleen "De auteur(s) geeft(geven) de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef." Bart Verhelst, juni 2009

6 Overzicht VI Technische- en bedrijfseconomische studie van fotovoltaïsche systemen door ing. Bart VERHELST Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van MASTER IN HET INDUSTRIEEL BEHEER Academiejaar Interne promotor: prof. Luc Keuleneer Externe promotor: prof. dr. ir. ing. Jan Desmet Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep Technische Bedrijfsvoering Voorzitter: prof. dr. ir. Hendrik Van Landeghem Samenvatting Het doel van deze masterproef is het doorvoeren van een bedrijfseconomische evaluatie van investeringen in fotovoltaïsche energie. Hierbij worden niet enkel de invloed van economische parameters maar ook van technische parameters onderzocht. In een eerste deel wordt een marktstudie uitgevoerd naar de verschillende technologieën en de technische invloedsfactoren die een rol spelen bij het bepalen van de opbrengst van dergelijke systemen. Hieruit blijkt dat het paneelrendement, hellingshoek en het inverter-rendement de belangrijkste parameters zijn voor de bepaling van de opbrengst van dergelijke systemen. Daarnaast zal de som van een aantal kleinere verliezen zoals vervuiling, beschaduwing en temperatuur eveneens een niet te onderschatten invloed hebben op de opbrengst. Installateurs houden bij het maken van berekeningen echter enkel rekening met de hellingshoek. Het is juist de energieopbrengst van de PV-installatie die als basis zal dienen voor verdere economische evaluaties en bijgevolg zo correct mogelijk moet worden berekend. Het tweede deel van deze studie heeft als doel om, op basis van de berekende energieopbrengst, na te gaan of de investering economisch te verantwoorden is. Uit de analyse naar de meest optimale beslissingsregel blijkt dat de methode van Netto Actuele Waarde (NAW) en Interne Rendementsgraad (IRR) het meest geschikt is. Deze staan lijnrecht tegenover de Simple Payback methode (SPP), gebruikt door installateurs, die een veel lagere terugverdientijd weergeven. De belangrijkste economische invloedsfactoren zoals discontovoet, inkomsten, kosten en steunmaatregelen worden specifiek voor fotovoltaïsche toepassingen, in kaart gebracht. Teneinde de invloed van deze parameters op de terugverdientijd te onderzoeken, wordt een sensitiviteitsanalyse doorgevoerd. De invloed van energieprijs, de discontovoet en overheidssteun mag zeker niet onderschat worden. Zonder overheidssteun zijn de meeste projecten niet rendabel. De resultaten uit beide delen worden in een rekenmodel geïmplementeerd en in de praktijk gebracht door middel van een case study waarbij twee systemen van verschillend vermogen economisch worden geëvalueerd. Vele installateurs beweren dat fotovoltaïsche energie op korte termijn rendabel is. Uit de doorgevoerde studie blijkt dat hier zeer omzichtig dient mee te worden omgesprongen. Waar installateurs terugverdientijden van 6 à 7 jaar aangeven zal, indien rekening wordt gehouden met alle parameters, deze al vlug tot het dubbele oplopen. Globaal kan gesteld worden dat dit werk aan de beslissingsnemer de mogelijkheid biedt om objectief en gefundeerd een beslissing te kunnen nemen. Hiertoe werd een software tool ontwikkeld die op een eenvoudige en transparante wijze alle parameters kan in rekening brengen. Trefwoorden: fotovoltaïsche energie, investeringsanalyse, economie, hernieuwbare energie

7 Extended abstract VII Technical and business economic study of photovoltaic systems ing. Bart Verhelst Supervisor(s): prof. Luc Keuleneer, prof. dr. ir. ing. Jan Desmet Abstract Renewable energy becomes more and more important in our power supply. The aim of this study is to perform a business economic evaluation of an investment in photovoltaic energy. In order to have a correct evaluation model, both economic parameters and technical influences will be taken into account. The results gathered by this study are compared and evaluated with calculations used by installers. Keywords: renewable energy, photovoltaic energy, economics, investment analysis I. INTRODUCTION The majority of the individuals and industry have little to no consciousness on the effectiveness and feasibility of renewable energy sources. For this they depend on the knowledge and advice of installers of renewable energy systems. An important factor in the decision making process is the feasibility of the project. Due to the limited knowledge the decision maker has, installers have a lot of impact in the decisions. Analysis of different cases has shown that most of the installers only propose a simple payback time. This payback time is much better than the reality due to the fact of neglecting technological, environmental and economic parameters. This study should give the decision maker a tool and sufficient background in order to make a correct investment decision. II. TECHNICAL STUDY Because of the increased interest in solar power, lots of research has been done in order to increase the performance of those systems. There are several technologies and possibilities to install solar panels, each having their own efficiency and as a consequence a different yield. The first step in the analysis is a market study on the availability of existing and new technologies, including the influence with respect to the allover efficiency on PV-systems [1], [2]. Table 1: overview lab and production efficiencies of solar panels Lab efficiency Production efficiency monocrystalline 24% 14 17% polycrystalline 18% 12 15% amorphous Si 13% 5 7% Bart Verhelst is with HOWEST, Department PIH, Lab Lemcko, Graaf Karel de Goedelaan 5, Kortrijk, Belgium ( bartverhelst@skynet.be). As a result panel efficiency, inclination and inverter efficiency are the most influencing parameters on the systems yield. Depending on the type of technology more or less surface area will be needed in order to receive the same amount of energy [3]. A deviation of 10 with respect of the optimal inclination angle can give a difference in yield of 5 to 10% [4]. Furthermore the influence of different smaller parameters such as pollution, shade and temperature have a noticeable effect on all-over efficiency. The combined influence of those small losses can be significant. The yield of a solar panel can be given by following expression. E = H * A * η * η * η L i panel1kwp module inv inclination *( 1 ηcable)*(1 ηmismatch ) *(1 ηtemp ) (1) *(1 η )*( 1+ η ) pollution trac Where H i represents the global irradiation [kwh/m²], A panel1kwp the panel surface for 1 kwp [m²], η module the module efficiency, η inv the inverter efficiency, η inclination the inclination efficiency, η cable the cable losses, η temp the temperature losses, η pollution the shadow and pollution losses, η mismatch the mismatch losses and η trac the tracker efficiency (increased efficiency compared to fixed position). Notwithstanding these conclusions, installers only take into account the inclination when calculating the yield. Nevertheless, only the all-over yield forms the basis for further economic evaluations. This underlines the importance of a correct calculation of the systems yield. III. ECONOMIC STUDY The second part of the study, based on the calculated yield, is the economic evaluation of the system. A. Economic decision rules First an analysis is performed with respect to the economic decision rules. The obtained results show that Net Present Value (1) and Internal Rate of Return (2) methods are the most correct approaches in order to make economic evaluations These calculations are based on free cash flow [5], [6]. NPV = I + FCF N j (2) j j1 = (1+ i) Where I represents the investment, FCF the free cash flow in year j and i the discount rate.

8 VIII FCF I + = 0 N j (3) j j1 = (1+ k) Where k represents the internal rate of return. It is obvious that the constituent parts of the cash flow must be determined before further calculations can be done. The discount rate used for companies is the weighted average cost of capital (WACC) [5]. For individuals the discount rate is the return on a state obligation for 10 years when investment is made with capital equity and the interest rate when investing with a loan. Installers mostly use the Simple Payback Period method (SPP) to make their calculations. This makes a difference of several years in payback terms. FCFj = I j j I FCF j = SPP (4) Figure 1: result of calculations Besides the main module some additional modules are included in order to create a user-friendly environment for extra features such as a module to determine the number of installed panels and power, the amount of VLIF support when applicable and the percentage energy used inside the company and sold to the grid. This software tool allows the user to determinate the feasibility of an investment in photovoltaic panels. B. Investment in photovoltaic systems The most important economic factors such as income, cost and grants are defined. Income is composed of both refunding of produced electricity and government grants. An important factor is the different energy price used for both the refunding of the produced energy and the reduction of purchased energy. This parameter can have a major influence on the payback time of the project. Also the granting mechanisms of both local and federal government are very important. Most of the projects are not feasible without these support mechanisms. Costs mainly consist in the replacement of components outside warranty, costs for annual maintenance and recycling costs. When all of these factors are known they can be implemented in the economic model. III. ECONOMIC MODEL The results of both studies are implemented in a mathematical model and validated by means of a case study where two systems of different capacity are evaluated. This calculation model is made up of some modules. A first, main module consists of the economical calculations which is divided in different fields. The first field contains technical parameters such as energy price, installed power, panel efficiency, inclination angle and correction factors for temperature, shade, cable losses, The second and third field consist of the investment information and the economic parameters such as the discount rate. The fourth field includes the granting. The results of calculations are given in figures and in graphs (i.e. Figure 1). III. CONCLUSIONS This study gives the decision maker a tool to make objective and well-founded decisions. Many installers state that photovoltaic solar energy is profitable in the short term, however this has to be treated cautiously since a lot of influencing parameters must be taken into account. Where installers indicate payback times of 6 to 7 years, in reality it almost will be double, taking into account all parameters. Sensitivity analysis shows that the discount rate and the panel yield are the most sensitive factors. The panel yield is determined by the different efficiency parameters. It can be concluded that not only the economic parameters such as discount rate but also technical parameters have a major impact on the feasibility of an investment in photovoltaic energy. Consequently all parameters should be taken into account for a correct evaluation. REFERENCES [1] M. Imamura, P. Helm and W. Palz. "Photovoltaic System Technology: European Handbook, ed. UK: HS Stephens & Associates, [2] NREL, (2005, 3 mei 2009). Best research cell efficiencies. Beschikbaar: [3] PV. Monitoring - novem. (2009, 22 april 2009). Begrippenlijst PVsystemen. Beschikbaar: [4] PVGIS European Communities. ( , 19 februari 2009). Irradiation in Europe. Beschikbaar: [5] R. Stephen, et al., Ondernemingsfinanciering, Amsterdam: Addison- Wesley, 1994 [6] Prof. L. Keuleneer, "Cursus investeringsanalyse", unpublished, Universiteit Gent, Vakgroep Industrial Management, Master in industrial management.

9 IX Inhoudsopgave Dankwoord... 4 Toelating tot bruikleen... 5 Overzicht... 6 Extended abstract... 7 Inhoudsopgave... 9 Afkortingen en symbolen Hoofdstuk 1 Fotovoltaïsche energie: inleiding Inleiding Geschiedenis Toepassingsgebied Doelstelling Besluit Hoofdstuk 2 PV technologie Inleiding Elektriciteitsvoorziening Standaard topologie Netgekoppelde systemen Autonome systemen Hybride systemen Onderdelen van een PV installatie PV-cel Technologieën Grondstoffen Celtypes Werkingsprincipe Invertoren Plaatsingssystemen Overige invloedsfactoren op de opbrengst... 34

10 X Beschikbaarheid van zonne-energie Weerstandsverliezen Schaduw en vervuiling Instralingsverliezen Degradatie Temperatuursverliezen Beoordelingscriteria Levensduur Kost per geïnstalleerd vermogen Rendement Besluit Hoofdstuk 3 Investeringsanalyse algemene beginselen Inleiding Wat is een investering Manieren van investeren Eigen investering Leasing Third Party Financing Basisbegrippen in het investeringsproces Discontovoet Tijdswaarde van geld Kasstromen en Free Cash Flow (FCF) Het zelfstandigheidprincipe Cash flow patronen Projectkasstroom: deelcomponenten van de Free Cash Flows Uitgebreide methode ter bepaling van de projectkasstroom Verkorte methode ter bepaling van de projectkasstroom De investeringsuitgave Veranderingen in werkkapitaal Restwaarde van het project Free cash flow op tijdstip j... 63

11 XI 3.6 Klassieke fouten bij het bepalen van de relevante cash flow Sunk costs Personeelskosten Financieringskosten Opportuniteitkosten Besluit Hoofdstuk 4 Investeringsbeslissingregels en beoordelingsmethoden Inleiding Statische terugverdientijd (static payback period) Verdisconteerde terugverdientijd (discounted payback period) Gemiddeld rendementsmethode (ARR) Netto actuele waarde (NAW, net present value, NPV) Interne rendementsgraad (IRR, internal rate of return) Rentabiliteitsindex (RI) Toepassingsgebied van de technieken Besluit Hoofdstuk 5 Investeringen in fotovoltaïsche zonnecellen Inleiding Inkomsten Verminderde aankoop elektriciteit - Valorisatie van de PV-stroom Groenestroomcertificaten Besparing CO 2 certificaten Bijzondere inkomsten in het jaar van de investering Uitgaven Investeringsuitgave Kosten einde levensduur Kosten voor de aansluiting op het distributienet Kosten voor onderhoud Verhouding van de kosten Bepalen van de grootte van de installatie Sensitiviteit van de parameters... 87

12 XII 5.6 Besluit Hoofdstuk 6 Steunmaatregelen Inleiding Algemene steunmaatregelen Inleiding Werkingsprincipe groenestroomcertificaten Vlaanderen Sectorspecifieke steunmaatregelen Inleiding Industrie Landbouw Residentieel Overheden Samenvattende tabel Steunmaatregelen in Brussel en Wallonië Inleiding Steunmaatregelen in Brussel Steunmaatregelen in Wallonië Besluit Hoofdstuk 7 Economisch rekenmodel Inleiding Technische parameters Investering Economische parameters Premies en steunmaatregelen Berekeningen Resultaat Besluit Hoofdstuk 8 Case study Inleiding Situering van het bedrijf Ontvangen offertes

13 XIII 8.4 Evaluatie berekeningen installateur Berekening opbrengst panelen Belastingen Terugverdientijd Verschillen in berekening Evaluatie van de offertes Inleiding Verdeling eigen verbruik - injectie Economische evaluatie Sensitiviteit van de parameters Besluit sensitiviteitsanalyse Besluit Hoofdstuk 9 Algemeen besluit Algemeen besluit Verder uitbreidingsmogelijkheden Bijlage A Bijlage B Bibliografie

14 XIV Afkortingen en symbolen Symbolen: Q stralingsintensiteit van de zon op een punt met afstand d t.o.v. de atmosfeer [W/m²] Q 0 stralingsintensiteit van de zon boven de atmosfeer [W/m²] α absorptiecoëfficiënt atmosfeer [-] d dikte van de atmosfeer [d] z zenitafstand [ ] i hellingshoek t.o.v. de normaal [ ] l lengte [m] d p afstand tussen 2 panelen [m] α h hellingshoek [ ] P a P a,25 totaal modulevermogen [W] totaal modulevermogen bij 25 C [W] β temperatuurcoëfficiënt [-] T m E a E a,25 moduletemperatuur[ C] energie geleverd door de module [Wh] energie geleverd door de module bij 25 C [Wh] η cel celrendement [-] P mod,stc G cel,stc A cel geïnstalleerd vermogen van de module onder STC [Wp] irradiantie cel onder standaard test condities [W/m²] oppervlakte van de cel [m²] η module module-rendement [-] P DC H i A module DC vermogen geleverd door de module [W] instralingsdichtheid op de module [Wh/m²] oppervlakte van de module [m²] η sys systeemrendement [-] η mod,stc E fi A sys P sys,stc E L A paneel 1kWp modulerendement onder standaard test condities energie geleverd door de inverter [Wh] oppervlakte van de systeem [m²] geïnstalleerd vermogen van het systeem onder STC [Wp] energieopbrengst [kwh/kwp] paneeloppervlakte voor 1kWp [m²] η module modulerendement [%] η inv inverter-rendement [%] η instraling instralingsrendement [%] η kabel kabelverliezen [%] η temp temperatuursverlies [%]

15 XV η vervuiling schaduw en vervuilingsverlies [%] η mismatch mismatchverlies [%] η track trackerrendement (verhoogde efficiëntie t.o.v. vast systeem) [%] P w percentage productie tijdens de week [%] D 1 het verwachtte dividend over één periode [ ] P 0 huidige prijs van een aandeel [ ] g dividend-groeicijfer R f het zekere rendement [%] R m verwachtte rendement op de markt [%] β e systematisch risico van het eigen vermogen EV w percentage eigen verbruik tijdens de week [%] /kwh ap kostprijs elektriciteit aankoop piekuren [ /kwh] V w percentage verkoop tijdens de week [%] /kwh vp kostprijs elektriciteit verkoop piekuren [ /kwh] P we percentage productie tijdens het weekend [%] EV we percentage eigen verbruik tijdens het weekend [%] /kwh ap kostprijs elektriciteit aankoop daluren [ /kwh] V we percentage eigen verbruik tijdens het weekend [%] /kwh vd kostprijs elektriciteit verkoop daluren [ /kwh] t percentage bedrijfsbelasting [%] i intrestvoet / discontovoet op jaarbasis [%] n looptijd [jaar] j index van de periode [-] I investering [ ] T static statische terugverdientijd [jaar] k IRR percentage [%] Frequent gebruikte afkortingen: AC wisselspanning ARR average rate of return CIF cash in flow COF cash out flow DC gelijkspanning EBIT Earnings before interest and taxes EBITDA earnings before interest, taxes, depreciations and amortizations FCF free cash flow FCF free cash flow [ ] FOC free operational cash flow FV future value [ ] (Toekomstige waarde)

16 XVI GCR bodembedekkingsfactor [-] GSC groenestroomcertificaat IRR internal rate of return KMO kleine en middelgrote onderneming MPPT Maximum Power Point Tracking NAW netto actuele waarde PR performantie ration of performance ratio [-] PV present value [ ] (Actuele waarde) RI rentabiliteitsindex RSZ Rijksdienst voor sociale zekerheid STC standard test condities TP totale jaarlijkse elektriciteitsproductie decentrale eenheid [kwh] TPF Third Party Financing VEA Vlaams Energie Agentschap VLIF Vlaams landbouw investeringsfonds VREG Vlaamse reguleringsinstantie voor de elektriciteits- en gasmarkt WACC weighted average cost of capital [%] W.I.B. wetboek der inkomstenbelasting WKB werkkapitaalbehoefte

17 17 Hoofdstuk 1 Fotovoltaïsche energie: inleiding 1.1 Inleiding Hernieuwbare energie speelt een steeds belangrijkere rol in de energievoorziening. Omwille van sterk variërende olieprijzen en voornamelijk met het oog op beperking van energieproductie uit fossiele brandstoffen wordt continue uitgekeken naar technieken om het gebruik van fossiele brandstoffen te beperken. Op dit ogenblik is de kernenergie nog steeds sterk vertegenwoordigt als energie-opwekker en vertegenwoordigd nog meer dan 50% van de totale energieproductie in België [3]. Gezien de politieke en burgerlijke onrust betreffende het gebruik van kernenergie en de doelstelling van de Europese Unie om tegen 2020, 20 procent minder uitstoot van broeikasgassen, 20 procent minder energieverbruik en 20 procent van de elektriciteit uit hernieuwbare bronnen te betrekken (huidig 8,5%) zijn alternatieven noodzakelijk. Dit betekent dat specifiek voor België het aandeel hernieuwbare energie moet stijgen tot 13 procent waar dit nu 2,2 procent bedraagt [3]. Eén van de kandidaten om in te staan voor een deel van de energieproductie, reeds veelvuldig toegepast, is zonne-energie. De aarde ontvangt genoeg zonlicht om maal te voldoen aan onze jaarlijkse energiebehoefte. Om deze energie nuttig aan te wenden staan een aantal technieken ter beschikking. Deze kunnen in twee grote groepen worden onderverdeeld. Een eerste methode is een thermodynamische omzetting. Hierbij wordt warmte-energie van de zon gebruikt als toepassing in verwarmingssystemen onder de vorm van een zonneboiler of rechtstreekse omzetting in elektriciteit via klassieke thermodynamische processen. De tweede omzettingsmethode is de fotovoltaïsche omzetting, dit omvat de omzetting van lichtenergie in elektriciteit via zogenaamde zonnepanelen. Deze laatste conversie methode is het onderwerp van deze studie. Dit hoofdstuk geeft een situering van het toepassingsgebied en de evolutie van fotovoltaïsche zonnecellen. 1.2 Geschiedenis De term fotovoltaïsch is afgeleid van het Griekse woord Phos, wat licht betekent, en het woord Volt wat de internationale eenheid van elektrische spanning is. Kortom betekent dit het verkrijgen van een elektrische spanning door licht [14]. De ontdekking van het fotovoltaïsch effect vond reeds plaats halfweg de eerste helft van de 19 de eeuw door de Franse fysicus Alexandre Edmond Becquerel (1839). Door het experimenteren met metalen elektrodes en elektrolyten ontdekte hij dat de geleiding toenam bij toenemende verlichting. De eerste experimenten met

18 18 silicium, het huidige basismateriaal, werden pas in 1873 uitgevoerd toen Willoughby Smith, een Engels elektrotechnisch ingenieur, het fotovoltaïsch effect vaststelde door het verlichten van een silicium platina junctie (verbinding). Deze ontdekking was eveneens een grote bijdrage aan de ontwikkeling van de allereerste televisies. De ontwikkeling in het onderzoek verliep traag. In 1887 droeg Heinrich Herts, Duits fysicus, bij aan de theorie van het foto-elektrisch effect toen hij vaststelde dat een geladen object zijn lading sneller verliest naarmate het meer met UV licht wordt bestraald [1], [2]. Het was pas in 1904 dat Albert Einstein, Duits fysicus, dit fotoelektrisch effect verklaarde en hiervoor in 1921 de Nobelprijs fysica ontving voor het ontdekken van de wet van het foto-elektrisch effect [8]. Deze werd in 1916 door Robert Milikan geverifieerd [9]. De eerste monokristallijne fotocel werd geconstrueerd in 1941 nadat de Poolse wetenschapper Jan Czochralski in 1918 een methode ontdekt had voor de productie van monokristallijn silicium. Deze methode is gekend als de Czochralski methode. Deze methode omvat het trekken van kristallen uit gesmolten silicium. De eerste fotocel uit silicium werd dus meer dan een eeuw na de eerste ontdekking gemaakt. In de periode rond 1930 werd eveneens reeds het effect op cadmium-selenide onderzocht wat tegenwoordig het meest belangrijke materiaal is voor zonnecelproductie. De kostprijs per Wp 1 was in het begin ontzettend hoog en bedroeg ongeveer $1800/Wp [12]. Sinds de ontwikkeling van de eerste zonnecel ontstond een snelle evolutie in materialen en efficiëntie van de cellen. De eerste zonnecellen hadden een labo-rendement van enkele procenten. Tegenwoordig bedraagt het rendement van de cellen reeds 30% en wordt nog steeds onderzoek gedaan naar materialen om hogere rendementen te verkrijgen tegen lagere kostprijs [48]. 1.3 Toepassingsgebied Fotovoltaïsche zonnecellen kunnen voor verscheidene toepassingen gebruikt worden. Daar waar de eerste labozonnecel in 1941 werd geconstrueerd duurde het tot 1955 vooraleer sprake was om zonnecellen in de praktijk te gebruiken. In 1955 werd de eerste zon-aangedreven wagen gedemonstreerd in Chicago. Een eerste grote praktische toepassingsgebied was energievoorziening voor satellieten. De eerste satelliet van zonne-energie voorzien, Vanguard I, werd in maart 1958 gelanceerd [5]. 1 Wattpiek (Wp) is het vermogen dat het paneel levert getest onder standaard omstandigheden (STC). Deze condities zijn: zonnestraling van Watt/m 2 bij een celtemperatuur van 25 C.

19 19 Figuur 1: Vanguard I satelliet Figuur 2: ISS (NASA) In de eerste dagen was het voornamelijk de ruimtevaart die gebruik maakte van fotocellen om energie op te wekken, en werden op aarde slechts kleinere zonnevelden opgezet. Dit bleef zo tot in 1972 de Solar Power Corporation werd opgericht waardoor grotere producties werden gehaald en de kostprijs naar omlaag ging. Voor een silicium zonnecel was de prijs nog $30/Wp [45]. Tegenwoordig worden zonnecellen niet enkel meer gebruikt in de ruimtevaart of testopstellingen maar zijn er tal van toepassingen die elke dag nog toenemen. Figuur 3: elektriciteitsvoorziening woning Figuur 4: zon aangedreven wagen Figuur 5: rekenmachine Figuur 6: verkeerssignalisatie Figuur 7: zonnepanelenpark Nevada Figuur 8: parkeermeter

20 Doelstelling In globale doelstelling wordt een technisch-economische studie doorgevoerd van de investeringskost van PVinstallaties rekening houdend met de energie-efficiëntie van dergelijke systemen versus de economische winst verbonden aan het toepassen van mogelijke oplossingen. Met deze analyse is het ook de bedoeling om een sensibilisering door te voeren naar de eindgebruiker, met andere woorden, wat is de impact (kostprijs) van de implementatie van een PV-installatie op de energiefactuur, rekening houdend met het referentiekader van investeringssubsidies en groenestroomcertificaten (GSC). Hiervoor wordt eveneens de sensitiviteit van de verschillende parameters op de haalbaarheid bestudeerd. In deze studie zal worden nagegaan of de energiebesparing die men bekomt dankzij de investering, opweegt tegen de investeringskost. Uit de literatuur en reeds uitgevoerde studies wordt een kwantificering gemaakt van de performanties en energie efficiëntie van PV-installaties in functie van de onderscheiden parameters (subsidiëring, investering, bedrijfszekerheid, storingsimmuniteit, enz.). Deze analytische studies leiden uiteindelijk tot de meest verantwoorde keuze, rekening houdend met energiekost en investeringskost. Bovendien zal in deze keuzecriteria moeten rekening gehouden worden met de beschikbare technologische oplossingen. Uit dit werk moet blijken of het economisch verantwoord is om te investeren in een volwaardige fotovoltaïsche installatie. De return-on-investment analyse, rekening houdend met de reductie van de energiefactuur is een van de hoofddoelstellingen. De resultaten van deze studie bevatten niet alleen de economische parameters, algemeen toegepast bij investeringsbeslissingen, maar eveneens de studie van mogelijke financiering bij hernieuwbare energiebronnen. Dit betekent dat er rekening gehouden wordt met het referentiekader van zowel federale, Vlaamse als lokale subsidies en de impact van de groenestroomcertificaten, afgetoetst op het energieverbruik. In dit werk is het niet de bedoeling een optimale technische keuze te maken voor de fotovoltaïsche installatie. Er wordt wel een overzicht gegeven van beschikbare technologieën en berekeningswijzen teneinde de manager toe te laten offertes ontvangen van installatiebedrijven te begrijpen en op hun correctheid te beoordelen. Niet tegenstaande de hoofddoelstelling bedrijfseconomisch is, is het eveneens een doelstelling om de residentiële situatie mee te nemen in deze studie. 1.5 Besluit In dit hoofdstuk werd een inleiding gegeven naar het ontstaan en de verschillende toepassingsmogelijkheden van fotovoltaïsche energie. De informatie in dit hoofdstuk heeft tot doel om het breder kader te schetsen waarbinnen dit werk wordt uitgevoerd. In volgende hoofdstukken worden specifieke technologische en economische elementen besproken die van belang zijn om een duidelijke evaluatie van de technologie en zijn haalbaarheid te maken. Niettegenstaande de verscheidene toepassingsgebieden die in dit hoofdstuk aan bod zijn gekomen, zal verder in dit werk de focus worden gelegd op zonnepanelen voor energievoorziening. De resultaten bekomen uit dit werk wordt tevens toegepast in het IWT tetra project Implementatie van innovatieve duurzame energiebronnen en hun interactie op het distributienet wat onmiddellijk het belang van dit werk onderstreept en de resultaten doorgeeft naar de brede bedrijfswereld.

21 21 Hoofdstuk 2 PV technologie 2.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt dieper ingegaan op de technologische kant van fotovoltaïsche energie. Gezien verder in het werk enkel naar systemen ter vervanging van de elektriciteitsvoorziening voor gebouwen, industrie, etc. wordt gekeken, wordt in eerste instantie de situatie geschetst van de huidige manier van elektriciteitsproductie en elektriciteitsvoorziening om daarna dieper in te gaan op de algemene opbouw van de zonne-installatie. De jaaropbrengst van een PV-systeem wordt bepaald door een complex geheel van factoren zoals de eigenschappen van de modules, inverter, bekabeling, de zonne-instraling, de temperatuur van de modules, de helling (veelal tilt genoemd), oriëntatie van de modules, de bodembedekkingsfactor, mismatch, de kwaliteit van de Maximum Power Point Tracker en tal van andere factoren. Na het bespreken van de hoofdcomponenten van een zonne-installatie wordt dieper ingegaan op deze invloedsfactoren om uiteindelijk te komen tot het bepalen van het rendement en bijgevolg de opbrengst van de installatie wat één van de drijfveren zal zijn voor de economische rentabiliteit. 2.2 Elektriciteitsvoorziening Standaard topologie De elektriciteitsvoorziening in Europa is opgebouwd vanuit een principe van centrale productie. Elektriciteit wordt in een centrale geproduceerd en via het distributienet tot bij de klant gebracht (Figuur 9). Figuur 9: de elektriciteitsmarkt

22 22 Sinds de komst van decentrale productie gebeurt de energievoorziening echter niet meer vanuit de producent naar de klant maar begint de klant zelf als producent te fungeren. Decentrale productie omvat niet enkel zonnepanelen maar ook windenergie, waterkracht, warmtekrachtkoppeling, De manier waarop decentrale productie wordt ingezet zal verschillen van de toepassing en kan netgekoppeld, autonoom of als hybride systeem opgebouwd zijn [6] Netgekoppelde systemen Het belangrijkste toepassingsgebied voor fotovoltaïsche systemen is op dit ogenblik in netgekoppelde toestand. Deze systemen worden op het elektriciteitsnet aangesloten. De inverter moet gedimensioneerd zijn op het volledige vermogen aan zonnepanelen en moet onmiddellijk op zijn maximaal vermogen kunnen werken. In dit geval fungeert het openbaar elektriciteitsnet als een opslagvat wat alle door het PV paneel opgewekt vermogen accepteert. Wanneer er meer elektriciteit verbruikt wordt dan het systeem produceert, dan wordt het tekort aangevuld vanuit het elektriciteitsnet. Wanneer de zonneproductie hoger ligt dan de vraag, bijvoorbeeld tijdens afwezigheid in de vakantieperiode, dan wordt het overschot teruggeleverd aan het elektriciteitsnet. In het geval van kleine aansluitvermogens (<10 kva) laat de VREG toe deze energie terug te sturen in het net via de bestaande aansluiting waarbij de energiemeter kan terugtellen [124], [127]. Deze situatie komt meestal voor in residentiële toepassingen. In industriële toepassingen is het geïnstalleerd vermogen veelal groter. In dit geval dient een afzonderlijke aansluiting te worden voorzien behalve indien de garantie wordt gegeven dat de volledige energieproductie intern in het bedrijf zal worden verbruikt. Figuur 10: netgekoppelde systemen Autonome systemen Een autonoom of onafhankelijk systeem is niet gekoppeld met het net. Dit systeem werd in de ruimtevaart voor het eerst toegepast. Toestellen uitgerust met een zonnecel kunnen eenvoudig worden verplaatst en, mits voldoende licht aanwezig, blijven functioneren. In sommige gevallen worden batterijen opgeladen die op momenten dat het donker is zullen ontladen en zo de energievoorziening garanderen. Deze systemen worden onder andere gebruikt bij parkeerautomaten of verkeersborden. Deze worden eveneens toegepast om woningen van energie te voorzien in streken waar geen elektriciteitsnet aanwezig is. Hernieuwbare bron Controller (opladen) Controller (ontladen) Belasting (DC) Batterijen Figuur 11: autonome systemen DC Figuur 12: autonome systemen AC

23 Hybride systemen Bij hybride systemen wordt een gedeelte van de nodige energie door de fotovoltaïsche modules voorzien en wordt als bijkomende leverancier een generator of windturbines gebruikt. Wanneer de energievraag gedurende een bepaalde periode niet volledig door de zonnepanelen kan voorzien worden, zal de generator worden bijgeschakeld om het vereiste vermogen alsnog te leveren. Dit systeem is betrouwbaarder, efficiënter en zorgt ervoor dat er geen noodzaak is om een groot aantal batterijen te voorzien. Figuur 13: hybride systemen DC 2.3 Onderdelen van een PV installatie Een fotovoltaïsche installatie bestaat uit een aantal onderdelen die samen bepalend zullen zijn voor opbrengst en kosten van de installatie. Een volledige fotovoltaïsche installatie bestaat over het algemeen uit volgende onderdelen: PV panelen bestaande uit een reeks PV cellen, Draagstructuur, Kabels en invertor(en), Meetapparatuur en monitoring, Elektriciteitskabine (bij sommige industriële toepassingen). Figuur 14: principeschema PV-installatie

24 24 Een PV-paneel wekt een gelijkstroom op die in een inverter wordt omgezet naar een wisselstroom en die de koppeling met het elektrisch net voorziet. De meetapparatuur zal ervoor zorgen dat een correcte opbrengstmeting zal gebeuren, belangrijk voor het ontvangen van groenestroomcertificaten en het bepalen van de verminderde aankoop van elektriciteit. Eventueel kan een monitoring worden voorzien om de opbrengst continue op te volgen en problemen vroegtijdig op te sporen. In wat volgt worden de grote onderdelen nader bekeken zodat de beslissingsnemer een technische achtergrondkennis heeft teneinde objectieve beoordelingen te kunnen maken. 2.4 PV-cel Technologieën De omzetting van zonlicht gebeurt bij fotovoltaïsche conversie met zonnecellen. Deze cellen zijn gemaakt uit halfgeleidermateriaal waarbij silicium het meest voorkomende is. Silicium was ook het eerste materiaal waarmee geëxperimenteerd werd. Daarnaast worden Gallium Arsenide (GaAs), Cadmium Telluride (CdTe) en Coper-Indium-Diselenide (CuInSe 2 ) veel toegepast [14]. Naargelang de kristalsoort kan het onderscheidt worden gemaakt in drie typen zonnecellen: monokristallijne, polykristallijne en amorfe cellen. Indien de onderverdeling gemaakt wordt naar technologische procedures kunnen zonnecellen worden onderverdeeld in silicium zonnecellen en dunne film zonnecellen. Indien voorgaande groepen worden samengenomen kan volgende onderverdeling worden gemaakt: Monokristallijn silicium, Polykristallijn silicium, Dunne film technologie. o Cadmium telluride, o Gallium arsenide, o Amorf silicium. Zonnecellen op zich hebben slechts een beperkt vermogen, deze worden dan ook samengevoegd tot fotovoltaïsche modules. De eigenschappen van een module zijn afhankelijk van het type cellen dat gebruikt wordt. Figuur 15 geeft de evolutie weer van grondstof tot systeem. In wat volgt wordt een overzicht gegeven van de manier van productie en eigenschappen van de verschillende types zonnecellen. Gezuiverd silicium blok wafer cel module systemen Figuur 15: van silicium tot PV-systeem

25 Grondstoffen Silicium De grondstof voor de productie is Siliciumoxide (SiO 2 ) uit rotsen en zand [14], [26]. Siliciumoxide is wijd verspreid en kan gemakkelijk in grote hoeveelheden worden gevonden. Het is milieuvriendelijk, niet giftig en afvalstoffen vormen geen problemen. Het is een materiaal dat gemakkelijk kan gesmolten worden en zijn elektrische eigenschappen tot 125 C behoudt. Silicium is een van de weinige chemische elementen die puur worden gebruikt. Gezien de goede eigenschappen van dit materiaal en het feit dat dit veelvuldig voor komt op aarde is het niet vreemd dat het een van de meest gebruikte materialen is voor het vervaardigen van halfgeleiders. Door reductie in een oven met koolstof wordt metallurgisch zuiver silicium verkregen wat wordt gebruikt als grondstof voor de productie van zuiver materiaal. Om 1 kg silicium te maken is 15 tot 25 kwh nodig. SiO 2 + C Si + CO 2 (r 2-1) Een verbinding met chloor en waterstof zorgt voor een verdere zuivering van het metaal. Si + 2Cl SiCl 4 (r 2-2) 4SiHCl 3 + H 2 2Si + SiCl 4 + SiCl 2 +6HCl (r 2-3) Na een aantal zuiveringsstappen wordt aldus een zeer zuivere polykristallijne staaf verkregen die als basis dient voor verdere verwerking Gallium Arsenide Gallium Arsenide is een verbinding tussen Gallium en Arseen. Gallium is vrij zeldzaam en wordt verkregen als bijproduct door het smelten van aluminium of zink [18], [19]. Arsenicum is veel minder zeldzaam en werd reeds in 1250 ontdekt door Albertus Magnus [24], [25]. In de geschiedenis heeft arsenicum reeds verschillende toepassingen gekend. Voornamelijk in de medische wereld wordt dit op heden nog gebruikt. Daarnaast is het een veel gebruikt halfgeleidermateriaal. Gallium Arsenide wordt veel toegepast in elektronica toepassingen waar hoge frequenties gewenst zijn wegens de hoge elektronenmobiliteit. Gallium Arsenide wordt gebruikt voor de productie van hoge rendement zonnecellen. Toepassingen hiervan zijn onder andere de marsrobots. GaAs bevat arsenicum wat giftig is. Echter zullen enkel problemen ontstaan bij inademing van stof. Als vaste stof lost GaAs zeer slecht op in water waardoor het bij inname bijna volledig het lichaam weer verlaat Cadmium Telluride (CdTe) Cadmium werd in 1817 ontdekt door een Duitse chemicus Friedrich Strohmeyer [20], [21]. Cadmium wordt voornamelijk als bijproduct van zink, koper en lood productie verkregen. Voornamelijk zink zorgt voor een grote productie cadmium. Deze hoeveelheden zijn onafhankelijk of deze al dan niet in PV panelen worden gebruikt. Men kan deze dus beter aanwenden dan in de natuur te dumpen. Cadmium werd voor het eerst gebruikt in verven en voor het vervaardigen van batterijen. Ongebruikt cadmium, wordt ingecementeerd en

26 26 begraven, opgeslagen voor verder gebruik of gedumpt als gevaarlijk afval. Om deze reden en bepaalde eigenschappen in moeilijke omstandigheden wordt het cadmium gebruikt in verschillende industriële toepassingen. Cadmium is schadelijk voor de gezondheid maar als dit onder normale omstandigheden wordt toegepast in PV panelen zijn er geen emissies mogelijk. Ingekapseld cadmium in PV panelen is aldus veiliger dan dit in de natuur te dumpen. Telluride (Tellurium) is een zeldzaam element dat werd ontdekt in 1782 door Frans-Joseph Müller von Reichenstein (Oostenrijker) [28]. Tellurium wordt net zoals cadmium voornamelijk verkregen als bijproduct. De voornaamste metalen die tellurium als bijproduct geven zijn koper en lood. De geleidbaarheid verbetert indien het wordt blootgesteld aan licht. Vandaar het gebruik in zonnepanelen. De combinatie van cadmium en tellurium vormt het basisproduct voor het vervaardigen van dunne film fotovoltaïsche cellen Copper-Indium-Diselenide (CuInSe2) CuInSe 2 is een materiaal voor de ontwikkeling van dunne film zonnecellen dat nog volop in ontwikkeling is. Het bestaat uit koper, indium of gallium en selenium. Koper is een element dat veelvuldig in de natuur wordt gevonden of kan teruggevonden worden in andere metalen. Indium is een zeer zeldzaam metaal en wordt voornamelijk verkregen als bijproduct bij de verwerking van zink. Gallium kan niet in de natuur worden teruggevonden en wordt opnieuw verkregen als bijproduct uit de vervaardiging van aluminium of zink waarbij Aluminiumproductie de voornaamste bron is. Selenium wordt meestal verkregen uit metaalertsen zoals koper, zilver of lood en is een bijproduct door de verwerking van deze metalen Celtypes Monokristallijn silicium cellen Monokristallijn silicium cellen zijn de meest beschikbare types zonnecellen en zijn duurder dan polykristallijne cellen. Om silicium in een monokristallijne toestand te verkrijgen moet eerst silicium met hoge zuiverheidgraad gesmolten worden. Het vervaardigen van monokristallijn silicium kan door middel van de Czochralski methode gebeuren [15], [23]. Als eerste stap wordt het zuiver silicium gesmolten. Daarna wordt het opnieuw gevormd door een monokristallijn zaadje in de smelt te brengen. Het silicium neemt het patroon aan van het kristal terwijl het geleidelijk aan stolt. De staaf die ontstaat wordt geleidelijk aan uit de smelt getrokken. Op deze manier groeit dit kristal tot een welbepaalde diameter. Dit is een methode om kristallen te doen groeien door ze omhoog te trekken vanuit een smelt.

27 27 Figuur 16: Czochralski methode Figuur 17: Czochralski methode stappen Een andere methode is de Float-Zone methode. Dit proces zorgt voor een zuiverdere kristalvorming dan het Czochralski proces omdat de kristallen niet besmet worden met de smeltkroes (crucible). In dit proces wordt een siliciumstaaf bovenop een kristalzaad geplaatst en dan doorheen een elektromagnetische kern geleid. Het magnetisch veld induceert een elektrisch veld in de staaf waardoor het gaat smelten. Op het scheidingsvlak tussen staaf en zaad ontstaan monokristallen. Deze breiden zich verder uit naarmate de spoel zich verder omhoog beweegt. De verkregen staaf wordt verzaagd tot schijven die typisch zo n 200 à 400 µm dik zijn. Het zagen geeft een verlies van ongeveer 20%. Om deze reden wordt aan de zaagdraad grote eisen gesteld en kan de draad slechts éénmalig gebruikt worden. Na het zagen wordt de schijf gepolierd en geëtst teneinde fouten door het zagen weg te werken. Uiteindelijk wordt een p-type siliciumschijf verkregen die ongeveer 250 µm dik is. Figuur 18: illustratie siliciumstaaf Nu kan de eigenlijke zonnecel worden gemaakt door het doperen van verschillende materialen op de schijf waaronder een n-type laag en reflectoren [27], [29]. Figuur 19: vereenvoudigde voorstelling zonnecel Figuur 20: elektronenbeweging in een cel

28 28 Het is de bedoeling dat de zonnestralen (fotonen) ongehinderd in het silicium kunnen invallen. Om deze reden bestaat de bovenste elektrode uit een rastervormige structuur van dunne baantjes opgedampt metaal. De onderste elektrode zorgt voor reflecterende eigenschappen van de cel. Zonder deze laag zouden de fotonen niet worden teruggekaatst maar worden ze geabsorbeerd door de onderste elektrode. Het gevolg hiervan is dat de cel wordt opgewarmd en het rendement daalt. Daarnaast zal de hoge opwarming de levensduur van de cel verlagen. Figuur 21: monokristallijn siliciumcel De afzonderlijke cellen worden uitgemeten en geselecteerd. De metalen strips worden aangebracht en op een glasplaat worden 10 tallen cellen samengebracht en in serie of parallel geschakeld. Hierboven komt opnieuw een glasplaat. Beide worden waterdicht verbonden. Het resultaat is een paneel van ongeveer 1 m². Figuur 22: monokristallijn PV paneel Figuur 23: monokristallijn PV paneel Polykristallijn siliciumcellen Monokristallijne cellen zijn duur om op grote schaal toe te passen. Om deze reden zijn cellen ontwikkeld uit polykristallijn silicium. Polykristallijne cellen bestaan uit vele afzonderlijke kristalkorrels over de volledige dikte van de siliciumschijf. De korrelgrootte varieert van 1 tot 100 mm. In het productieproces kunnen twee methodes onderscheiden worden. Een eerste is het vloeibaar silicium in blokken gieten en geleidelijk laten stollen. Dit resulteert in een vierkante blok die op zijn beurt in schijven wordt gezaagd. De verdere fabricage is gelijkaardig aan deze van de mono-cellen, alleen is een extra waterstofbehandeling nodig voor het passiveren van de korrelgrenzen. Bij de stolling van het materiaal vormen zich kristalstructuren van verschillende grootte, waarbij aan de grensvlakken defecten optreden. Door deze kristaldefecten is het rendement van de zonnecel lager. Maar anders dan bij monokristallijn materiaal kunnen

29 29 van polykristallen rechthoekige zonnecellen gemaakt worden. Het voordeel hiervan is dat het zonnepaneel beter bedekt wordt waardoor het rendementsverlies door de kristaldefecten deels wordt gecompenseerd. Daar er bij het verzagen van de elementen veel materiaalverlies optreedt is het eveneens mogelijk om silicium te laten stollen tot linten in plaats van blokken. Bij de edge-defined film fed growth techniek wordt het gesmolten silicium door een mal geleid waardoor linten ontstaan. Via deze methode is minder materiaal vereist en zijn de verliezen lager dan bij het verzagen. Figuur 24: polykristallijne cel Figuur 25: polykristallijne cel Figuur 26: polykristallijne cel (detail) Amorf Silicium (a-si) Bij amorf silicium is de atoomstructuur anders dan bij kristalijn silicium (c-si). De atomen zijn niet in een bepaalde volgorde geschikt waardoor er geen kristalstructuren worden gevormd en het rendement lager ligt. Deze hebben echter wel enkele economische voordelen die dit materiaal interessant maakt. Deze technologie wordt veel gebruikt voor consumenten elektronica. Amorf Silicium absorbeert straling 40 keer efficiënter dan een monosilicium kristal. Een film van 1 micrometer kan 90% van het licht absorberen die erop invalt. Een ander grote voordeel tegenover c-si is dat de productietechniek sterk vereenvoudigd kan worden daar het als dunne film kan worden toegepast waar c-si gesneden worden uit Wafers. Er is slechts 1% silicium nodig in vergelijking met c-si.

30 30 Figuur 30: opbouw zonnecel (pn-junctie) Amorf silicium panelen kunnen in een aantal vormen worden terug gevonden. Amorf silicium wordt opgedampt waardoor het mogelijk wordt om creatiever om te gaan met mogelijkheden. De meest bekende is in de vorm van klassieke panelen. Daarnaast komen amorf silicium panelen eveneens voor in laminaatvormm en geïntegreerd in gebouwen. Dit is ideaal geschikt voor grote platte daken met weinig draagvermogen. Figuur 27: amorfe laminaten Figuur 28: amorfe panelen Figuur 29: amorfe panelen in vensters Werkingsprincipe Zonnecellen zijn eigenlijk grote halfgeleiderdiodes. Door het fotovoltaïsch effect wordt lichtenergie omgezet naar elektrische stroom. Licht is een verschijningsvorm van elektromagnetische straling en bestaat uit fotonen. Het fotovoltaïsch effect is het elektrisch potentiaal dat ontstaat tussen twee verschillende materialen wanneer de junctie (verbinding) verlicht wordt (bestraald met fotonen). De fysica van een PV cel is gelijkaardigg aan deze van een klassieke diode met een pn-junctie. Een pn-junctie is het grensgebied rond de overgang van een n-gedoteerd naar een p-gedoteerd halfgeleidermateriaal. Wanneer licht de zonnecel binnenvalt, zullen binnen de halfgeleider elektronen losgeslagen worden waardoor er aan de overgang tussen het p- en n-type ladingsdragers ontstaan. In het grensgebied tussen p en n komen vrije elektronen uit het n-materiaal gaten uit het p materiaal tegen. Deze beide kunnen combineren waardoor er elektronen uit het gebied rechts van de grens (Figuur 31) verdwijnen, het gebied wordt positief geladen. Aan de linker kant verdwijnen positieve gaten waardoor dit gebied een negatieve lading krijgt. Er ontstaat in het grensgebied een elektrisch veld E van rechts naar links gericht. Het potentiaal de rechter kant wordt lager en dit de linker kant wordt hoger. Het veld neemt toe in sterkte. Indien een belasting wordt aangebracht aan beide zijden dan gaat een stroom vloeien. Bij voldoende lichtinval wordt een spanning opgewekt van 0,4 à 0,5 V. Door het in serie schakelen van deze cellen kunnen hogere spanningen worden verkregen. Figuur 31: elektronenverloop pn-junctie