VTI Kortrijk – Gullegem – HarelbekeBeekstraat 218500 KORTRIJK

Afdeling 6de Industriële Wetenschappen

Geïntegreerde proef:

Zonne-energie

Pablo Six Simon Delusinne

1

2012-2013

2

Woord voorafAls laatstejaarsleerlingen in de industriële wetenschappen kregen we het uitwerken van een geïntegreerde proef (gip) tot opdracht.

Omdat deze gip een groot onderdeel vormt van onze studies was het niet eenvoudig een gepast onderwerp te kiezen. Na druk overleg en heen en weer communiceren kozen we er uiteindelijk voor, een eindwerk te maken over de zonne-energie.

Het verzamelen van informatie nam veel tijd in beslag, maar het was een heel boeiende taak. De verwerking ervan was niet vanzelfsprekend, aangezien er vaak tegenstrijdige gegevens te vinden waren op het internet.

Gelukkig kregen we hulp van verscheidene personen die we hier extra willen bedanken. Hun gewaardeerde hulp en steun hebben ons veel vooruit gebracht en aangemoedigd bij deze interessante opdracht.

Onze mentor, dhr. Folens, adviseerde ons vaak bij de structuur van onze gip en hij liet ons heel wat gepast materiaal gebruiken. Hij heeft onze vorderingen nauwlettend geëvalueerd en indien nodig bijgestuurd.

Eveneens dank aan dhr. Eggermont voor het printen van het didactisch paneel en de vele vrije lesuren die we kregen om ons te verdiepen in ons eindwerk.

Mevrouw Lebbe heeft ons gewezen op de taal- en grammaticafouten, waarvoor eveneens hartelijk dank.

Tenslotte willen we ook onze ouders bedanken voor het nalezen van de teksten.

ZON doet leven en van de ENERGIE die ze ons schenkt maken we graag gebruik!

Veel leesgenot.

3

4

Inhoudstafel

1. Inleiding..........................................................................................................7

2. Historiek.........................................................................................................8

3. Zonne-energie..............................................................................................10

3.1. Passieve zonne-energie.......................................................................10

3.2. Actieve zonne-energie..........................................................................10

4. Zonnecellen..................................................................................................11

4.1. Zonnecel: begrip en onderdelen..........................................................11

4.2. Het fotovoltaïsch effect.........................................................................12

4.3. Hoe wordt nu een fotovoltaïsche cel gemaakt?...................................13

4.3.1. Licht..............................................................................................17

4.3.2. N- en p-type elementen................................................................20

4.3.2.1. N-type element.....................................................................20

4.3.2.2. P-type element.....................................................................21

4.3.3. Lichtinval op het n-type................................................................22

4.3.4. Geleider, isolator, halfgeleider.....................................................23

4.3.4.1. Geleider en isolatoren..........................................................23

4.3.4.2. Halfgeleider..........................................................................24

4.3.5. Soorten cellen..............................................................................27

4.3.5.1. Monokristallijne cellen..........................................................27

4.3.5.2. Polykristallijne cellen............................................................27

5

5. Zonnepaneel................................................................................................28

5.1. Het zonnepaneel..................................................................................28

5.1.1. Fabricage van een zonnepaneel..................................................29

5.1.2. Schakelen van de zonnecellen....................................................32

5.1.2.1. Parallel schakelen van zonnecellen.....................................32

5.1.2.2. Serie schakelen van zonnecellen.........................................33

5.2. De componenten..................................................................................34

5.2.1. De zonnecellen.............................................................................34

5.2.2. De bypassdiode............................................................................34

6. Praktische realisaties...................................................................................36

6.1. Halfgeleiding van een fotovoltaïsche cel..............................................36

6.2. De U I karakteristiek van een zonnepaneel benaderen.......................40

7. Bronvermeldigen.........................................................................................51

6

1. Inleiding

Zonne-energie is het belangrijkste element dat het leven mogelijk maakt op aarde. De zon bezorgt ons in de eerste plaats de vereiste warmte. Bovendien is het dankzij de zonne-energie dat de planten uit de “giftige” koolstofdioxide die aanwezig is in de lucht, de voor ons onontbeerlijke zuurstof vrij maken. Ze waarborgt het bestaan van de meeste planten, van de regen en van de rivieren. En die opsomming is praktisch onbegrensd. Zo bijvoorbeeld wordt de vitamine D opgebouwd onder de huid van de mens dank zij het zonnelicht.

Tijdens de laatste decennia hebben de mensen steeds meer energie nodig. De bronnen variëren van fossiele brandstof tot kernenergie.

Door de steeds stijgende milieuproblematiek zoekt men naar hernieuwbare energiebronnen die het milieu minder aantasten: windmolens, waterkrachtcentrales, geometrische energie, getijdenenergie enz. Sinds kort wordt de zonne-energie door de mens ook op grote schaal omgezet in elektriciteit.

Een zonnepaneel bestaat uit een aantal zonnecellen die onderling met elkaar verbonden zijn. Hoe kan men, aan de hand van deze panelen -die amper een paar centimeters dik zijn - zonne-energie omvormen in elektrische energie? Dat proces, het fotovoltaïsch effect, bespreken we verder.

In het eerste deel wordt het thema zonne-energie uitgelegd.

Daarna bespreken we de samenstelling en de werking van een zonnecel en wat de rol van het zonnelicht daarbij is.

Ten slotte behandelen we het fabricageproces van een zonnecel en een zonnepaneel.

Aan de hand van praktische uitvoeringen verklaren we een paar van de besproken theorieën meer in detail.

7

2. Historiek

De geschiedenis van het zonnepaneel ving aan in het jaar 1839. Toen ontdekte de Franse fysicus Antoine César Becquerel het fotovoltaisch effect. Bij het uitvoeren van een experiment rond een elektrolytische cel, stelde hij per toeval vast dat het licht uit de omgeving, een verhoogde waarde van elektriciteit ten gevolge had.

Pas 44 jaar later slaagde de Amerikaanse wetenschapper Charles Fritts er in, de eerste zonnecel te bouwen. Ze bestond uit bladen halfgeleidende selenium, afgedekt met een extreem dun laagje goud. Maar zijn zonnecel kon slechts 1% van het licht omzetten in stroom. Uiteraard een reden waarom vele wetenschappers met zonnecellen gingen experimenteren, onder meer om het rendement ervan te verhogen.

In 1887 ontdekte Heinrich Herzt dan het foto-elektrisch effect, waarbij het licht direct omgezet wordt in elektriciteit. Het is de Russische natuurkundige Aleksandr Stoletov die de eerste zonnecel ontworpen heeft, steunend op dat principe.

In 1891 vroeg de uitvinder Clarence Kemp een patent aan voor het eerste commercieel toestel dat water verwarmde, dank zij de zonne-energie. Het is ook in deze periode dat Albert Einstein zijn thesis publiceerde over het foto-elektrisch effect. In 1921 kreeg hij daarvoor de Nobelprijs voor de natuurkunde. Wiliam Bailey vond dan wat later ook de eerste zonnecollector uit, opgebouwd uit een paar koperen rollen in een geïsoleerde doos.

In 1941 patenteerde de Amerikaan Russell Ohl de eerste zonnecel gemaakt met silicium. In het bedrijf waar Ohl werkte, werden in 1954 uiteindelijk de eerste zonnepanelen ontworpen met een kristallijn silicium structuur. Deze zonnecellen bereikten bij het omzetten van de energie een rendement van vier procent. Door silicium te mengen met arseen bekwamen andere wetenschappers een cel met een rendement van ongeveer zes procent.

Om satellieten in de ruimte van energie te kunnen voorzien, moest voor het eerst de zonne-energie op grote schaal gebruikt worden. Vermits de overheid van de Verenigde Staten daarom het onderzoek naar zonne-energie aanmoedigde, kwam er een versnelling in het ontwikkelingsproces. In de jaren 80 kon al een zonnecel gemaakt worden met een rendement van 20 procent. Reeds 20 jaar later werd een zonnecel met een rendement van 24 procent ontworpen. Vanaf het najaar van 2007 beheersten twee bedrijven nl Spectrolab en Emcore Photovoltaics het produceren van zonne-energie. Ze hebben in 2012 zonnecellen ontworpen met een rendement van 28 procent.

8

De theoretische limiet is 34 procent. Momenteel is er een zonnecel ontworpen, opgebouwd uit superdunne nanodraadjes die waarschijnlijk die grens zal doorbreken. Alleen een groot probleem voor de gewone verbruiker: de kostprijs zal (vermoedelijk) heel hoog liggen.

Het onderzoek naar de ontwikkeling van “gewone” zonnecellen met een hoger rendement en lagere productiekosten, door elke consument betaalbaar, zal daarbij niet stilvallen.

9

3. Zonne-energie

3.1 Passieve zonne-energie

Passieve zonne-energie kan gebruikt worden om gebouwen te verwarmen. Hierbij wordt er geen gebruik gemaakt van speciale apparatuur. Een voorbeeld hiervan zijn broeikassen en serres. Bij het bouwen van een huis houdt men zoveel mogelijk rekening met het invallend zonnelicht en met de oriëntatie van de grote ramen naar het zuiden en kleine of geen vensters naar het noorden.

3.2 Actieve zonne-energie

Bij actieve zonne-energie wordt gebruik gemaakt van speciale apparatuur om de energie van de zonnestralen op te vangen en ( meestal) om te zetten.

Enkele voorbeelden:

Voor elektrische energie zijn fotovoltaïsche cellen nodig.

Voor warmte-energie gebruikt men een zonnecollector.

Het gebruik van zonneparabolen bij kinetische energie.

10

4. Zonnecellen

4.1 Zonnecel : begrip en onderdelen

De zonnecel is een onderdeel van een zonnepaneel. Hoe zo een zonnepaneel precies in elkaar zit, komt later aan bod. Een zonnecel bestaat uit een p-type element, een n-type element en een pn-junctie of ook halfgeleider genoemd. Deze halfgeleider is geen extra laag maar ontstaat eenvoudig door het contact tussen het n-type en p-type. In een zonnecel horen ook een anti-reflectiefilm en eveneens 2 elektroden voor de stroomgeleiding.

(meer uitleg over het p- en n-type: zie bladzijde 18 en 19)

11

4.2 Het fotovoltaïsch effect

Het fotovoltaïsch effect is het effect dat er voor zorgt dat zonne-energie omgevormd wordt in elektrische energie. De lichtstralen geven energie af aan de elektronen van de bovenste laag. Deze elektronen gaan naar de onderste p-type laag. Door de pn-junctie kunnen deze elektronen echter niet terug naar de bovenste laag.

Er ontstaat bijgevolg een grotere concentratie aan elektronen in de onderste laag. Met andere woorden : er ontstaat een verschil tussen het aantal elektronen in de bovenste en onderste elektrode. In de elektriciteitsleer wordt dit een potentiaal verschil genoemd.

Als men een “verbruiker” plaatst tussen deze 2 elektroden zal er dus een stroom vloeien naar de bovenste elektrode.

12

4.3 Hoe wordt nu een fotovoltaïsche cel gemaakt?

In de onderstaande figuur wordt schematisch uitgelegd hoe dat in zijn werk gaat. Een beschrijving volgt op volgende 2 bladzijden.

a: large ingot: grote blok cutting : het snijden

b: lngot: kleine blok slicing and cleaning: het snijden in schijfjes en schoonmaken

c: wafer: wafeltje (plakje) diffusion of phosphorus: diffusie van fosfor

d: n-type layer on p-type silicon: making metal contacts by screen laag n-type op p-type silicon printing: maakt metaalcontacten door

schermdrukken

e: solarcel: zonnecel vervolg zie pagina 27

13

a. Zand omzetten in silicium-blokken.

Silicium wordt gemaakt uit zand, men verhit zand in een hoogoven op ongeveer 1800 graden Celsius. Door de combinatie van siliciumdioxide en koolstof verkrijgt men 98 procent zuivere silicium.

SiO2 + 2C → Si + 2CO

Maar om een halfgeleider te maken heeft men een nog veel zuivere stof nodig.

14

Deze zuivering bestaat nog eens uit 3 fasen:

1. Men verhit het silicium nogmaals maar nu tot ongeveer 3000 graden Celsius. Zo zullen de overbodige koolstoffen een binding aangaan tot koolstofmonoxide en blijft er gezuiverde silicium over van 99 procent.

2. Daarna laat men het silicium reageren met een stof zodat men SiHCl3 verkrijgt. Deze wordt op zijn beurt gemengd met zoutzuur (HCl). Door destillatie worden de verontreinigingen opnieuw verwijderd en na een verhitting op correcte temperatuur van de SiHCl3 molecule ontstaat een zeer zuiver silicium.

3. Dat is echter nog niet genoeg en daarvoor wordt het verkregen gezuiverde silicium opnieuw verhit tot deze vloeibaar wordt. Dat wordt enkel op één bepaalde plaats van de blok gedaan want het grootste deel van de vervuilende delen lost beter op in het vloeibare gedeelte en worden dus op deze plaats geconcentreerd. Men snijdt het vervuilde topje af en zo krijgt men een zeer zuivere siliciumblok met maar liefst een zuiverheid van 99,99%.

b. Deze blokken worden opnieuw versneden in kleinere blokken silicium die ongeveer de grote hebben van een zonnecel.

c. Van deze blokken worden dan dunne plakjes gevormd. Dit kan gebeuren op twee verschillende manieren, naargelang de kwaliteit die men wilt bekomen.

1. Monokristallijn silicium wordt vaak via het Czochralski-proces geproduceerd. Er wordt een staaf gestoken in een vat met gesmolten silicium. Men laat de staaf roteren terwijl zij uit het vat wordt gehaald. De punt van de staaf is een kristal. Het gesmolten silicium neemt de kristalstructuur van de punt over. Dat ziet er uit al een cilinder. Daarna wordt de cilinder in plakjes gesneden. Dat worden de zogenaamde wafels genoemd. Deze zijn cirkelvormig en bedekken bijgevolg de zonnecel niet volledig. Nog meer zagen zou een te groot verlies zijn en daarom laat men de hoeken van de zonnecel onbedekt. Die wafels hebben een dikte van ongeveer 0,3 millimeter.

Silver cellen zijn uiterst dunne plakjes monokristallijn silicium. Deze plakjes zijn zo dun dat er nog licht wordt doorgelaten. Ze besparen zodoende veel materiaal en de cellen werken dubbelzijdig. Er wordt zonlicht van beide kanten geabsorbeerd.

2. Polykristallijn silicium wordt ook gemaakt van vloeibaar silicium dat men deze maal in een vierkante vorm giet en laat afkoelen. Dit productieproces is eenvoudiger en dus ook goedkoper. De gietvormen worden langzaam in vaste vorm gekoeld tot grote blokken silicium. Er bevinden zich nu donkere vlekken op de silicium blokken en deze worden de ongestructureerde smeltplekken

15

genoemd. De kristallen sluiten minder goed aan en daardoor is het rendement van deze blokken ook een beetje lager. Van deze blokken worden plakjes gezaagd van ongeveer 180 tot 350 micrometer dik door middel van een draadzaag.

Men kan ook gewoon plakjes van het silicium trekken maar door op deze manier te gaan werken, hebben ze nog een lager rendement dan de bovenstaande methode om polykristallijne siliciumcellen te maken. Het enige voordeel dat men hier heeft, is dat er minder afval is want er moet niet gezaagd worden.

Hieronder vindt men een tabel met de efficiëntie van elk soort zonnecel.

4.3.1 Licht

Licht is een zeer ruim en complex thema. Wij zullen ons concentreren op lichtenergie, aangezien deze energie nodig is voor het fotovoltaische effect.

Licht wordt gedefinieerd als een elektromagnetische straling.

16

Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische trillingen.

E: energie niveau

ƒ: frequentie

h: constante van plank

In bovenstaande figuur wordt een invallende lichtstraal vergeleken met de uitvallende lichtstraal.Men merkt dat de frequentie van de lichtstraal lager is na de weerkaatsing ƒ1> ƒ2, bij gevolg zal de energie van de weerkaatste straal lager zijn dan deze van de invallende. Er is dus een energie verschil ∆E. De verloren energie wordt geabsorbeerd door de zonnecel. Deze energie is nodig in de pn-junctie.

Het is dus van zelfsprekend dat de weerkaatsing zo klein mogelijk moet zijn. Hoe kleiner de invalshoek is, hoe minder weerkaatsing er optreedt. Dit heeft dan voor gevolg dat er minder lichtstralen hun energie kunnen afgeven aan het n-type (zie puntje 4.2.4). De invalshoek van lichtstralen op de aarde varieert de volledige dag door. Om het grootste rendement te waarborgen, worden de panelen onder een vaste hoek geplaatst. Deze gemiddelde invalshoek is gedurende het volledige jaar minimaal.

17

Invallende lichtstraal met

ƒ1 E1 Weerkaatste lichtstraal

ƒ2

E2

18

Een andere oplossing is de tracer. In dit geval zijn de zonnepanelen gemonteerd op een systeem dat meedraait met de zon en zorgt dat de invalshoek zo groot mogelijk is en dit op ieder ogenblik van de dag.

19

4.3.2 N– en p-type elementen

Onbewerkt silicium geleidt heel weinig stroom. Daarom wordt van zuiver silicium een half-geleider gemaakt door er een weinig andere chemische producten toe te voegen. Aan de bovenkant van de “wafel” voegt men bv. fosfor toe en aan de onderkant bv. borium.

4.3.2.1 N-type element

U kunt een n-type materiaal maken door het zuiver silicium te verontreinigen met een 5 waardig negatief materiaal. Dit element heeft dan 5 valentie elektronen. Hier wordt de kristalstructuur van silicium gedopeerd met fosfor.

Een fosfor atoom bevat 15 elektronen waarvan er zich 5 op de buitenste schilbevinden.

Door de binding met dit fosfor atoom zullen er opnieuw 4 covalente bindingen ontstaan en heeft men een 5e relatief vrij elektron (zoals op de tekening hieronder voorgesteld).

Deze onzuiverheid in de kristalstructuur wordt een donoratoom genoemd. Dus fosfor is het donoratoom in deze situatie.

20

P N

E

E

E

E

E

EEE

E

E

E

EE

E

Fosfor (P)

E

SiSiSi

SiPSi

SiSiSi

N-donor kristalstructuur

Vijfde valentie elektron

P N

E

E

E

EE

Borium (B)

SiSiSi

SiBSi

SiSiSi

P-acceptor kristalstructuur

Positief gat

4.3.2.2 P-type element

U kunt een p-type materiaal maken door het zuiver silicium te verontreinigen met een 3 waardig negatief materiaal. Dit element heeft dan 3 valentie elektronen.

Hier wordt de kristalstructuur gedopeerd met boor.

Een boor atoom bevat 5 elektronen waarvan 3 op de buitenste schil.

Door de binding met dit boor atoom zullen er opnieuw 3 covalente bindingen ontstaan en heb je een elektron te kort om met het 4e silicium atoom een binding aan te gaan. Dit wordt een positief gat genoemd (zoals op de tekening hieronder voorgesteld).

Het resulterende p-type materiaal is ook elektrisch neutraal. Onzuiverheden met 3 valentie-elektronen worden acceptor atomen genoemd.

21

4.3.3 Lichtinval op het n-type

Als het zonnelicht op de structuur invalt, krijgt, de kristalstructuur van silicium gedopeerd met fosfor, extra energie. Het foton zorgt er voor dat het elektron op een hogere schil komt en daardoor meer energie bezit.

Als de zon fel genoeg schijnt, zal er genoeg energie aanwezig zijn om de energie af te splitsen van het fosfor atoom en zo kan een elektron door de pn-junctie gaan naar het p-type.

4.3.4 Geleider, isolator, halfgeleider

22

Er bestaan veel soorten geleiders, isolatoren en halfgeleiders. In een zonnecel is de halfgeleider een van de belangrijkste elementen. Om goed te begrijpen wat een halfgeleider is, is er toch enige kennis over de geleider en isolator nodig.

4.3.4.1 Geleider en isolatoren

Geleiders zijn meestal elementen met 1 valentie elektron. Dus 1 elektron op de buitenste schil. Hoe groter de afstand tussen de kern en dat elektron, hoe kleiner de aantrekkingskracht van de kern op het elektron is.

In een rooster,binding tussen meerdere zelfde atomen, zullen de valentie elektronen vrij kunnen bewegen in dat rooster. Door een geleider in een elektrisch veld te plaatsen zullen die elektronen zich voort bewegen in één richting, geleiding.

Isolatoren zijn elementen waar

er geen valentie elektronen zijn

bijgevolg dus ook geen vrije

elektronen.

4.3.4.2 Halfgeleider

23

+-

Bij het samenbrengen van de p-junctie en de n-junctie ontstaat er een diffusie van de “gaten” en de valentie elektronen. Diffusie betekent dat deze elektronen aangetrokken zijn naar de gaten. Er ontstaat een neutraal gedeelte rond de contactoppervlakte. Aan de kant van het n-type zullen de valentie elektronen weg zijn waardoor dat gedeelte weer een neutrale lading zal verkrijgen. Aan de kant van het p-type zullen de gaten gevuld worden met de valentie elektronen die komen van het n-type. Hieronder stellen we het proces stap per stap grafisch voor.

Voor dat de diffusie plaats vindt:

Silicium heeft hier geen primaire rol. Hij dient enkel als receptor voor de fosfor- en boriumatomen.

Aangezien zijn rol enkel structureel is, zal silicium niet meer geïllustreerd worden op volgende figuren. Enkel de kernen van borium en fosfor evenals de gaten en valentie elektronen komen hier aan bod.

In de contactoppervlakte zullen de valentie elektronen van fosfor de gaten opvullen van borium en op deze manier ontstaat er in het midden een neutrale zone, meer bepaald de uitputtingszone genoemd. Bij deze laatste term wijst de term “uitputting” op het feit dat er geen vrije elektronen en gaten meer zijn.

24

Uitputtingszone

Deze uitputtingszone is de overgang tussen 2 verschillende energie niveaus in de halfgeleider. Men kan dat vergelijken met een dal waar de elektronen in het n-type een hoger energie niveau hebben dan deze in het p-type. Daardoor is de overgang zeer gemakkelijk te overbruggen van de elektronen van het n-type naar het p-type vermits het een activatie energie bezit. Bij een zonnepaneel is dat het zonnelicht. Anderzijds, als de elektronen van het p-type terug naar het n-type willen gaan, hebben ze niet genoeg energie om dit te kunnen doen.

25

Elektronen migratie van N-type naar P-type Elektronen migratie van P-type naar N-type

P-type P-type

N-type N-type

Uitputtingszone

N-Type

P-Type

E+

E-

∆E

Als de elektronen van het n-type naar het p-type gaan, wordt er energie vrij gemaakt want ze dalen van energieniveau. Net zoals men wilt dat een stilliggende bal een heuvel afrolt: hij zal een duwtje moeten krijgen om de traagheidskrachten te overwinnen (activatie energie) en de heuvel doet de rest. De bal komt beneden met een zekere snelheid (energie).

Als men de bal naar boven wilt schoppen, zal dit veel meer energie vergen.

De activatie energie die hier nodig is om elektronen van het n-type naar het p-type te brengen is het zonnelicht. Het geeft aan de elektronen energie om in beweging te komen en ze worden vrije elektronen. Deze elektronen zijn aangetrokken door het p-type.

Terwijl ze zich verplaatsen naar het p-type, stijgt de energie van de elektronen.

Als de elektronen van het p-type naar het n-type terug willen keren, hebben ze veel energie nodig en opnieuw een activatie energie. Maar vermits bij een zonnecel theoretisch geen zonnestralen tot het p-type geraken, krijgen de elektronen niet genoeg energie om naar het n-type terug te gaan.

Deze elektronen kunnen maar op één manier voldoende energie verkrijgen, om van het p-type naar het n-type te gaan. Dit fenomeen wordt doorslag genoemd.

26

4.3.5 Soorten cellen

4.3.5.1 Monokristallijne cellen

Voor de fabricatie van monokristallijne siliciumcellen wordt er zeer zuiver halfgeleiders materiaal gebruikt: uit een siliciumsmelt worden staven getrokken die uit één groot kristal, namelijk een monokristal, bestaan. Deze worden dan in dunne schijven gezaagd. Deze productiewijze garandeert relatief hoge cel rendementen, maar zegt nog niets over de efficiëntie van een paneel. Monokristallijn materiaal kwam oorspronkelijk uitsluitend uit de chips productie.

4.3.5.2 Polykristallijne cellen

De vervaardiging van polykristallijne cellen is voordeliger. Hierbij wordt vloeibaar silicium in blokken gegoten, die daarna in schijven gezaagd worden. Bij de stolling van het materiaal vormen zich kristalstructuren van verschillende grootte, waarbij aan de grensvlakten defecten optreden. Door deze kristaldefecten is het rendement van de zonnecel lager. Maar anders dan bij monokristallijn materiaal kunnen van polykristallen rechthoekige zonnecellen gemaakt worden. Dit geeft een betere benutting van het paneeloppervlak en zo wordt het rendementsverlies vaak weer goedgemaakt.

5. Zonnepaneel 27

5.1 Het zonnepaneel

Een zonnepaneel bestaat uit een raamwerk van individuele zonnecellen. Deze zonnecellen zetten zonne-energie om in elektriciteit. Het systeem wordt PV-systeem (Photo Voltaic) genoemd. Hiermee wordt het natuurkundig proces bedoeld waardoor het zonlicht via een zonnecel in elektriciteit wordt omgezet.

Zonnepaneel Zonnecel

5.1.1 Fabricage van een zonnepaneel

28

Zonnepanelen zijn opgebouwd uit zonnecellen. De opbouw van een kolom zonnecellen is de volgende. De bovenste elektrode (lintjes uit geleidend materiaal) van de eerste cel wordt doorgetrokken naar de volgende zonnecel. De cellen worden dus in serie geschakeld met elkaar (zie meer uitleg blz. 31)

Dit proces wordt herhaald tot men het gewenste aantal cellen met elkaar heeft verbonden.Dit hangt af van de afmetingen van de verschillende zonnecellen.

De verkregen rijen met serie geschakelde cellen worden naast elkaar geplaatst. Elk van deze rijen worden dan parallel aan elkaar geschakeld (Zie verdere uitleg blz. 30). Het geheel wordt dan geplaatst op een dragend vlak. Dat dragend vlak bestaat meestal uit verschillende elementen.

Een doorzichtig beschermend laagje wordt aangebracht en de cellen worden ingekapseld aan de hand van doorzichtig materiaal. De laatste stap is het aanbrengen van de randen om het zonnepaneel wat stevigheid en bescherming te geven.

29

Eén maal het zonnepaneel gemaakt, is deze klaar voor het plaatsen.

Een zonnepaneel kan op volgende manieren gemonteerd worden:

Dakopbouw

Hierbij ligt het paneel direct op het schuine dak. Het dak moet hierbij naar de zon gericht zijn of tussen zuidoost en zuidwest. De hellingshoek van het dak is vaak ook de optimale hellingshoek voor de panelen (tussen 20 en 40 graden). Een nadeel is de beperkte mogelijkheid van afvoer van warmte. Dit heeft een negatieve invloed op het rendement.

30

Dak geïntegreerd

Deze montage houdt in dat de panelen gemonteerd worden als onderdeel van het dak, dus in plaats van dakpannen of andere dakbedekking. Het voordeel van deze methode is dat de panelen gemakkelijk in de architectuur van een gebouw geïntegreerd kunnen worden. De efficiëntie van de panelen neemt bij deze montagevorm wel af, doordat de panelen erg opwarmen door de beperkte luchtcirculatie onder de panelen.

Paneel op rek

Dit is de beste methode. De lucht kan langs alle kanten het paneel koelen. Deze montagemethode is alleen mogelijk bij een plat dak. Een bijkomend voordeel is dat het paneel gemakkelijk onder optimale hoek en oriëntatie, ten opzichte van de zon, gemonteerd kan worden. Het is ook mogelijk de panelen met de zon mee te laten draaien. Dit verhoogt de efficiëntie. Nadeel is dat er minder panelen op het dak passen, slechts 50% van het dakoppervlak, aangezien de panelen geen schaduw op elkaar mogen werpen.

31

5.1.2 Schakelen van de zonnecellen

Alle zonnecellen die samen een zonnepaneel vormen, worden onderling met elkaar verbonden.

5.1.2.1 Parallel schakelen van zonnecellen

Bij een parallelschakeling van bronnen

Wordt de stroom van de verschillende bronnen opgeteld.

De resulterende spanning is de hoogste spanning van een van de bronnen.

I t=I 1+ I2+ I 3+…+ I n

U t=Umax

32

5.1.2.2. Serie schakelen van zonnecellen

Bij een serieschakeling van bronnen worden de spanningen van de verschillende bronnen opgeteld.

Als men de totale spanning wil weten, moet men de spanningen optellen.

U t=U 1+U2+U3+…+UnI t=Imax

33

5.2 De componenten

5.2.1 De zonnecellen

Zie vorig hoofdstuk (hoofdstuk 4).

5.2.2 De bypassdiode

De bypassdiode heeft als functie de zonnecellen te beschermen wanneer deze in de schaduw komen te staan. Als de zonnecel zich in de schaduw bevindt, vermindert de elektronenoverdracht in de pn-junctie. De stroom van de andere zonnecellen komt dan over die ene beschaduwde zonnecel te staan waardoor deze gaat opwarmen. Deze zone noemt men een hotspot en dit kan de zonnecel beschadigen.

Op deze figuur wordt met een thermische camera een hotspot gedetecteerd op een zonnepaneel:

34

Op onderstaande figuur worden de gevolgen van een hotspot voorgesteld:

De bypassdioden werken als volgt:

Op figuur 1 (wanneer het zonnepaneel volledig in de zon staat) zien we dat de stroom door het paneel vloeit (groene lijn).

Op figuur 2 echter, wanneer de rechter helft van het zonnepaneel in de schaduw staat, zien we dat de stroom door de bypassdiode vloeit en niet door de zonnecel.

In dit voorbeeld werd een zonnepaneel met 2 bypassdioden geïllustreerd. Hoe meer bypassdioden een zonnepaneel heeft, hoe groter zijn rendement als er schaduw valt op een bepaald deel van het zonnepaneel.

35

6. Praktische realisaties

6.1. Halfgeleiding van een fotovoltaïsche cel

Doel: aantonen dat een fotovoltaïsche cel enkel geleidend is in één richting (halfgeleidend).

Opstelling: De zonnecel en een DC-spanningsbron worden in serie geplaatst. In het eerste geval wordt de anode van de zonnecel (positieve pool ) gekoppeld aan de kathode (negatieve pool) van een galvanische cel.

Zou men de zonnecel enkel als een bron beschouwen dan zou zuiver theoretisch de totale spanning de som zijn van de 2 gedeeltelijke spanningen. In de eerste situatie is dit ook het geval.

36

Praktische vaststelling bij geval 1:In dit geval kan men de zonnecel beschouwen als een bron.

In het tweede geval schakelt men de fotovoltaïsche cel en de galvanische cel in antiserie.

37

Als men nu opnieuw de fotovoltaïsche cel beschouwt als een bron dan zou de totale spanning het verschil moeten zijn tussen beide spanningen.

Praktische vaststelling bij geval 2:In dit geval reageert de zonnecel als een diode waardoor het potentiaal verschil 0 volt is.

Besluit: Een zonnecel is een halfgeleider want hij laat elektronen enkel maar door in 1 richting en een fotovoltaïsche cel is ook een elektriciteitsbron.

38

1) Invalshoek

Doel: Het verband onderzoeken tussen de invalshoek van lichtstralen op een fotovoltaïsche cel en het vermogen dat ze leveren.

Opstelling: De zonnecel wordt gemonteerd op een roterend element waarvan we de hoek kunnen regelen. Het geheel wordt geplaatst in een gesloten doos om het licht van buitenaf te blokkeren. In de doos wordt ook een lichtbron geplaatst waarvan het vermogen gekend is. De zonnecel wordt op een circuit aangesloten met een gekende weerstand en een ampère meter wordt in serie geplaatst.

Met de stroom en de weerstand kunnen we het verkregen vermogen berekenen met volgende formule:

P= I ²R

P= vermogen (W)

I= stroom (A)

R= weerstand (Ohm)

Verwachtingen: Hoe groter de invalshoek, hoe groter het vermogen zou moeten zijn. Dit omdat er dan meer lichtstralen de valentie elektronen kunnen bereiken zonder weerkaatst te worden.

39

6.2. De U I karakteristiek van een zonnepaneel benaderen

Eerder hebben we gezien dat deze karakteristiek afhankelijk was van de licht energie. Om deze waarde te bepalen zullen we gebruik maken van een luxmeter. Als luxmeter zullen we een applicatie voor smartphones inzetten die werkt via het fototoestel van een telefoon. In ieder fototoestel zit er een lichtsensor om de focaal en de sluitertijd te regelen. In deze applicatie maakt men gebruik van deze sensor om de hoeveelheid lichtenergie te berekenen. Dit wordt dan in lux op de display weergegeven.

Een lichtsensor meet heel eenvoudig de lichtsterkte. Dit gebeurt vaak door een LDR. Deze is afhankelijk van de lichtsterkte en de weerstand. Dit is een eenvoudige en goedkope oplossing voor het meten van de lichtsterkte. Het enige wat men nog nodig heeft, is een AD converter die het analoge signaal omzet in een leesbaar digitaal signaal. Het nadeel van deze lichtsensoren is de eenvoud, hij is wel simpel en gemakkelijk in gebruik, maar levert weinig informatie op.

Informatie over de gebruikte applicatie:

Luxmeter Version: 1.1By Application Manufactory with : luxmeterIn UtilitiesCompatible with: iPhone en iPadTags : luxmeter

40

Eenheden van licht:

Er bestaan verschillende eenheden om licht te beschrijven zoals in de elektriciteitsleer.

Lichtsterkte (Iv)candela (cd)

Lichtstroom (Φ)lumen (lm)

Specifieke lichtstroom(of lichtrendement) (η, Φs) lm/W

Verlichtingssterkte: (E)

lux (lx)

Luminantie (L)

Het verband tussen verlichtingssterkte en vermogen:

Als we de verlichtingssterkte vermenigvuldigen met de beschenen oppervlakte bekomen we de lichtstroom en deze wordt uitgedrukt in lumen.

Φ=E∗A

De lichtstroom kunnen we omrekenen naar het vermogen van licht.

P=Φη

De specifieke lichtstroom is een vaste waarde per soort lichtbron. Dit hangt af van de golflengte van het licht waarvan men het vermogen wil berekenen.

41

In onderstaande tabel vindt men deze waarde voor verschillende toepassingen.

Soorten lichtSpecifieke Lichtstroom(lm/W)

Gloeilamp 12.5-17.5 lm/W

Halogeen lamp 16-24 lm/W

Fluorescentielamp 45-75 lm/W

LED lamp 30-90 lm/W

Metal halide lamp 75-100 lm/W

Zonnelicht (onbewolkt) 70-110 lm/W

Zonnelicht (bewolkt) 110-130 lm/W

42

Opgewekte energie

Een zonnepaneel kan men aanzien als een elektriciteitsbron met een bepaald vermogen die op zijn beurt bepaald wordt door de grootte van het paneel en het type.

Dus een zonnecel voldoet aan volgende eigenschappen:

P= U x I en U= R x I

Het vermogen van een zonnepaneel is constant als de invalshoek, de luminositeit en de temperatuur constant blijven. Bijgevolg kan voor ieder van deze situaties een verschillende stroomspanning karakteristiek opgesteld worden.

Hieronder een voorbeeld van zo'n grafiek :

De maximale spanning is de openklemspanning.

De maximale stroom is de kortsluitstroom.

Het piekvermogen bevindt zich op het knikpunt van de grafiek.

43

Metingen :

44

monokristallijn namiddag 12u55

Spanning (u) Stroom (I) Weerstand (R) Vermogen (P)Volt Ampère Ohm WattV A W

20,6 0 019,8 0,38 52,1 7,519,6 0,39 50,3 7,619,6 0,41 47,8 8,019,5 0,43 45,3 8,419,5 0,45 43,3 8,819,4 0,48 40,4 9,319,4 0,51 38,0 9,919,3 0,54 35,7 10,419,2 0,58 33,1 11,119,1 0,61 31,3 11,719 0,66 28,8 12,518,8 0,72 26,1 13,518,6 0,78 23,8 14,518,4 0,85 21,6 15,618 0,96 18,8 17,317,6 1,09 16,1 19,217 1,2 14,2 20,415,6 1,25 12,5 19,514,8 1,28 11,6 18,913,9 1,3 10,7 18,112,8 1,33 9,6 17,011,6 1,32 8,8 15,310,4 1,31 7,9 13,69,4 1,31 7,2 12,38,4 1,34 6,3 11,3

45

monokristallijn voormiddag 10u55

Spanning (u) Stroom (I) Weerstand (R) Vermogen (P)Volt Ampère Ohm WattV A W

19,6 0 0,019,3 0,37 52,2 7,119,2 0,38 50,5 7,319,1 0,39 49,0 7,419 0,41 46,3 7,818,9 0,43 44,0 8,118,7 0,45 41,6 8,418,4 0,48 38,3 8,818,1 0,5 36,2 9,117,2 0,51 33,7 8,816,1 0,51 31,6 8,214,8 0,51 29,0 7,513,5 0,52 26,0 7,012,2 0,52 23,5 6,311 0,52 21,2 5,79,6 0,52 18,5 5,08,5 0,53 16,0 4,58,2 0,54 15,2 4,47,9 0,54 14,6 4,3

46

monokristallijn voormiddag 11u10

Spanning (u) Stroom (I) Weerstand (R) Vermogen (P)Volt Ampère Ohm WattV A W

20,4 0 019 0,36 52,8 6,818,9 0,37 51,1 7,018,8 0,38 49,5 7,118,7 0,4 46,8 7,518,5 0,42 44,0 7,818,3 0,43 42,6 7,917,9 0,45 39,8 8,117,1 0,45 38,0 7,716,1 0,46 35,0 7,415 0,46 32,6 6,914,3 0,46 31,1 6,613,7 0,46 29,8 6,312,8 0,46 27,8 5,912,2 0,46 26,5 5,610,8 0,46 23,5 5,09,5 0,46 20,7 4,48,5 0,46 18,5 3,9

47

polykristallijn voormiddag 11u23

Spanning (u) Stroom (I) Weerstand (R) Vermogen (P)Volt Ampère Ohm WattV A W

19,8 0 0,017,9 0,29 61,7 5,216,6 0,36 46,1 6,016,2 0,37 43,8 6,015,7 0,37 42,4 5,815,1 0,38 39,7 5,714,4 0,39 36,9 5,613,6 0,4 34,0 5,412,8 0,4 32,0 5,112,4 0,4 31,0 5,011,6 0,41 28,3 4,810,6 0,41 25,9 4,39,6 0,42 22,9 4,08,7 0,42 20,7 3,77,8 0,43 18,1 3,46,5 0,44 14,8 2,95,5 0,47 11,7 2,6

48

polykristallijn voormiddag 11u33

Spanning (u) Stroom (I) Weerstand (R) Vermogen (P)Volt Ampère Ohm WattV A W

20 0 0,018,4 0,35 52,6 6,418,3 0,36 50,8 6,618,2 0,38 47,9 6,918,1 0,4 45,3 7,217,9 0,41 43,7 7,317,6 0,43 40,9 7,617,4 0,45 38,7 7,817 0,47 36,2 8,016,4 0,49 33,5 8,015,7 0,5 31,4 7,915 0,51 29,4 7,714 0,52 26,9 7,313 0,53 24,5 6,911,9 0,54 22,0 6,410,6 0,55 19,3 5,89,3 0,56 16,6 5,28,3 0,57 14,6 4,77,7 0,59 13,1 4,57,2 0,62 11,6 4,57 0,65 10,8 4,6

49

polykristallijn namiddag 12u35

Spanning (u) Stroom (I) Weerstand (R) Vermogen (P)Volt Ampère Ohm WattV A W

19,9 0 0,019,2 0,36 53,3 6,919,2 0,37 51,9 7,119,2 0,39 49,2 7,519,2 0,41 46,8 7,919,2 0,43 44,7 8,319,1 0,46 41,5 8,819 0,49 38,8 9,318,9 0,52 36,3 9,818,9 0,55 34,4 10,418,8 0,6 31,3 11,318,8 0,65 28,9 12,218,6 0,7 26,6 13,018,5 0,76 24,3 14,118,3 0,83 22,0 15,217,7 0,95 18,6 16,816,9 1,03 16,4 17,415,6 1,08 14,4 16,814,5 1,14 12,7 16,513,6 1,16 11,7 15,812,8 1,18 10,8 15,111,9 1,21 9,8 14,410,8 1,23 8,8 13,310,2 1,26 8,1 12,98,9 1,24 7,2 11,08,1 1,21 6,7 9,8

50

7. Bronvermeldingen HEMANS, Jo. Energie survival gids Inzicht In Energie En Uitzicht Op De Toekomst,Wolters, Holland, 2008, pg 129

De elementen Silicium Jens Thomas 32p

ZONNE-ENERGIE Neil MORRIS 32p

Zonnepaneel(http://nl.wikipedia.org/wiki/Zonnepaneel)

Werking halfgeleider(http://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/32019-vaste-stof-fysica-werking-halfgeleider/)

Halfgeleider theorie(http://wetenschap.infonu.nl/natuurkunde/100953-halfgeleider-theorie.html)

werking van junctiediode(http://www.wetenschapsforum.nl/index.php/topic/31153-vaste-stof-fysica-werking-van-junctiediode/page__p__185107#entry185107)

Illumination Converter(file:///C:/Users/simon%20delusinne/Desktop/praktische%20proef/Illumination%20Converter.htm)

Halfgeleider(http://www.youtube.com/watch?v=MCe1JXaLEwQ)

how a pn-junction diode works(http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/pn_junc/pn_junc.htm)

Jonction P-N(http://fr.wikipedia.org/wiki/Jonction_P-N)

Solar cell(http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell)

51