Zonnepanelen uitgelegd: zonnecellen

Het is natuurlijk ontzettend tof, zo’n rij zonnepanelen op je dak. Je hebt je eigen lokale energiefabriekje. Maar hoe zit een zonnesysteem nu precies in elkaar? En hoe produceert het elektriciteit? Onze in-house natuurkundeleraar en Project Manager Customer Care Jasper legt ‘t uit. Deze keer: de wondere wereld van zonnecellen.

Wat is een zonnecel?

Zonnecellen zijn misschien wel het belangrijkste onderdelen van een zonnepaneel. Zij zetten zonlicht om in elektriciteit.

Van zand naar zonnecel

Een zonnecel wordt gemaakt van silicium. Silicium komt veel voor op aarde, maar liefst een kwart van de aardkorst bestaat uit silicium! Silicium zit onder andere in zand, klei en graniet. Voordat dit silicium gebruikt kan worden om zonnecellen te maken, moet het eerst gezuiverd worden van andere elementen. Zuiver silicium komt namelijk niet zo in de natuur voor, het is altijd verbonden met andere elementen.

Door deze siliciumverbindingen bij zeer hoge temperaturen te verhitten onder de aanwezigheid van koolstof wordt er metallurgisch silicium gewonnen, met een zuiverheid van meer dan 99%. Dit is nog niet zuiver genoeg voor zonnecellen, dus daarom wordt het silicium nog verder gezuiverd via verschillende chemische en thermische processen. Uiteindelijk ontstaat er 99.999999999 % puur silicium. Dit wordt ook wel ‘eleven nines’ silicium genoemd omdat er – je raadt het al- 11 negens voorkomen in ‘99.999999999 %’.

Blauw vs. zwart

Hoe het silicium verder wordt verwerkt hangt af van of er polykristallijne (blauwe) of monokristallijne (zwarte) zonnecellen van gemaakt worden. Tijdens het productieproces vormt het silicium kristallen. Bij polykristallijne zonnecellen staan deze als waaiers naar buiten, waardoor ze makkelijker diffuus licht uit de omgeving opnemen. Monokristallijne zonnecellen bestaan uit één groot kristal, dat één richting op wijst. Hierdoor produceren zij beter bij directe instraling. Om polykristallijne zonnecellen te maken wordt het pure silicium gesmolten en in ‘bricks’ gegoten. Tijdens het stollen ontstaan er verschillende kristallen.

Het proces voor het maken van monokristallijne zonnecellen is iets ingewikkelder. Jasper: ‘Van het pure silicium worden cilinders gemaakt via het zogenaamde ‘Czochralski proces’. Een heel klein stukje silicium wordt in een vat met gesmolten silicium-smurrie gestoken. Door het stukje langzaam omhoog te trekken stolt het silicium en ontstaat er een monokristallijn cilinder. Hoe langzamer je het stukje silicium omhoog trekt, hoe breder de cilinder wordt.’ Fun fact: de Poolse scheikundige Jan Czochralski, naar wie dit proces vernoemd is, ontdekte dit per ongeluk toen hij zijn pen in gesmolten tin doopte in plaats van in zijn inktpot. Waar vergissingen al niet goed voor zijn!

Flinterdunne wafers

De laatste stappen van het proces zijn weer hetzelfde voor poly- en monokristallijne zonnecellen. De bricks en cilinders worden in hele dunne plakjes (tussen de 160 en 300 μm) gesneden. ‘Om de zonnecel af te maken, wordt er nog een extra laag silicium toegevoegd. Deze laag heeft een tegenovergestelde lading dan de onderste laag. Is de onderste laag positief geladen (p-type), dan wordt een negatief geladen laag silicium (n-type) aangebracht. En andersom.’ Het raakvlak van de twee lagen noemen we ook wel de pn-junction. Jasper: ‘Hierna worden er structuren op de siliciumwafers geprint waar later geleiders op aangebracht worden.’ En dan zijn de zonnecellen klaar!

Black Friday

Zonnecellen bestaan (dus) uit twee dunne laagjes silicium. Door een kleine hoeveelheid van andere elementen aan het silicium toe te voegen, heeft de ene laag een teveel aan elektronen, terwijl de andere laag er juist te weinig heeft. De elektronen willen graag van de laag met een overschot naar de laag met het tekort bewegen, maar hebben niet genoeg energie. Wanneer er zonlicht op het paneel valt wordt deze energie geabsorbeerd door de overtollige elektronen, waardoor deze vrijkomen. Deze vrije elektronen stromen naar de silicium-laag met een tekort aan elektronen. Dit is de stroom die jouw panelen opwekken.

Jasper: ‘Denk maar aan Black Friday: voor de deuren van de winkel staan drommen mensen. Ze zijn opgewonden en willen graag naar binnen, maar kunnen er nog niet in omdat de deur nog dicht zit. Deze mensen zijn de elektronen. Als de deur eindelijk opengaat, wanneer er zonlicht op het zonnepaneel valt, rennen al deze mensen naar de koopjes toe. Het rennen van de shoppers – dus het bewegen van de elektronen van de ene laag naar de andere – is de stroom die een zonnepaneel opwekt.