Een zonnecel is een elektrische cel die lichtenergie omzet in bruikbare elektrische energie.
Er zijn twee soorten zonnecellen:
1. De fotovoltaische cel
2. De foto-elektrochemische cel
van deze twee wordt de fotovoltaische cel het meest gebruikt in bijv. zonnepanelen.
1. De fotovoltaische cel:
Een fotovoltaische cel, ook wel PV cel genoemd is het meest bekende en meest toegepaste zonnecel.
Het belangrijkste onderdeel van de fotovoltaische cel is een stuk halfgeleidend materiaal (bijv. een dunne plak silicium van 3mm dik en een diameter van 10cm) dat een scheidingsvlak tussen p-type en n-type dotering heeft ( doteren is het inbrengen van onzuiverheden in een stof om de stofeigenschappen te veranderen, zo kun je van een zuivere stof (isolatiemateriaal of metaal) een halfgeleider maken.) De elektrische stroom kan maar in een richting door de zonnecel lopen. Als er zonlicht op de zonnecel valt worden er d.m.v. Fotodiode ( een fotodiode is een elektronisch onderdeel en een type lichtdetector, in normale toestand wordt er door het licht wat er op een diode valt een elektrische spanning over de diode opgewekt waardoor er een stroom in het scheidingsvlak gaat lopen, diode zorgt er ook voor dat de elektronen van de p laag naar de n laag gaan, maar niet meer terug) elektronen losgestoten. Die gaan dus in de gewenste richting bewegen. die beweging van de elektronen is de elektrische stroom door de zonnecel. Om van deze cellen echt nuttige stroom te krijgen moeten ze met een aantal op een zonnepaneel aangesloten worden, die gelijkstroom levert (kan worden omgezet in wisselstroom d.m.v. een omvormer) door fotonen uit het zonlicht worden de elektronen van de p laag naar de n laag geduwd, hier hopen de elektronen zich op, wat tot een spanningsverschil leidt. Dit kan bij een normale cel oplopen tot 0,3 V een zonnepaneel met 36 cellen levert dus zo’n 12V.
Silicium: onbewerkt silicium geleidt bijna geen stroom, een elektron in silicium die met zonlicht in contact komt valt erg makkelijk weer terug, en zo gaan de elektronen dus niet lopen, en krijg je geen elektrische stroom. Dit is dan ook de reden dat van zuivere silicium een halfgeleider gemaakt moet worden om elektrische stroom op te kunnen wekken. Dit kan door bijv. aan de bovenkant fosfor, en aan de onderkant borium toe te voegen. Fosfor heeft vergeleken met silicium een extra elektron die wel afgestaan kan worden, dit elektron zorgt dan voor een redelijk goede elektriciteitsgeleiding in het silicium. Borium heeft een elektron minder dan silicium. Als de borium dan aan de onderkant wordt toegevoegd ontstaan er ‘gaten’ die ervoor zorgen dat de elektronen makkelijker door het materiaal heen kunnen, en zo helpt borium mee aan een betere geleiding. Als de beide stoffen zijn toegevoegd gaan de elektronen van de fosfor naar de borium lopen, zo worden de gaten in de borium gevuld, zo wordt de fosfor (de n-type kant) positief geladen en de borium (de p-type kant) negatief geladen. Zo ontstaan de halfgeleider waar de elektronen maar in een richting kunnen stromen: het scheidingsvlak tussen de stoffen.
De PV-cel als spanningsbron
als er zonlicht op de zonnecel valt worden er elektronen losgestoten, deze kunnen maar een kant op: naar de kant met de n-type dopering. Daarom gaat de stroom door de zonnecel lopen. De stroom gaat vanuit de halfgeleider naar elektrische apparaten. Als een elektron wordt losgestoten ontstaat er een gat, omdat dit gat ontstaat, krijgen andere elektronen de gelegenheid om dat gat op te vullen, zo krijgen je dus dat de elektronen gaan lopen doordat elke keer dat een elektron een gat opvult hij zelf een gat achterlaat die weer opgevuld kan worden door een ander elektron.
Rendement
Het rendement van PV-cellen kan d.m.v. lichtzeven verhoogd worden. Lichtzeven wil zeggen dat het licht naar kleur wordt gesorteerd, en iedere kleur op een daarbij passende bandgap te laten vallen. Met een bandgap wordt de ‘kloof’ tussen de valentieband (p-type) en de geleidingsband (n-type)
het is mogelijk om door verschillende lagen halfgeleider op elkaar te doen zo’n zeef te maken. Hiermee is een rendement van 43% bereikt, maar deze cellen zijn te duur om goed gebruikt te kunnen worden.
nog een manier om het rendement te verhogen is het bundelen van het zonlicht op de zonnecellen, je kunt hierbij denken aan een volgsysteem die over de hele dag de zon volgt om zo het licht goed op de zonnecellen te concentreren. Australi?? wil een installatie gaan bouwen met deze methode die 154 MW op zou moeten gaan leveren.
2. De foto-elektrochemische cel
foto-elektrochemische cellen (of PEC’s) zijn zonnecellen die gebruik maken van foto-elektrochemie.
Foto-elektrochemie: het gebruiken van de chemische processen die je krijgt aan een elektrode als hier licht opvalt, over het algemeen worden hier halfgeleidende elektroden voor gebruikt.
Als een halfgeleidende elektrode in een vloeistof wordt gedompeld ontstaat een uitwisseling van lading totdat de twee niveaus in evenwicht gekomen zijn. Hierbij ontstaat in de buitenste laag van de halfgeleider een ruimtelading. Hierdoor wordt de energie in de elektronenbanden gebogen, hierdoor kunnen lichtdeeltjes van de goede kleur geabsorbeerd worden zonder dat het ontstane elektronen gat weer weggaat, in plaats daarvan worden het elektron en het gat uitelkaar gehaald. En een van beide worden binnen in de elektrode gezogen, en een van beide gaat naar het oppervlak, welke dat is hangt ervan af of het oppervlak n-type of p-type is, en bij p-type is dat het elektron en bij het n-type is dat het gat. Aan het oppervlak gekomen kan het elektrode of het gat reageren met de elektrolyten of het oplosmiddel, een p-type kan zich gedragen als een sterke reductor, en een n-type kan zich gedragen als een sterke oxidator.