Fotocell of Zonnecel

Definitie

Een fotovoltaïsche (PV) cel is een halfgeleiderapparaat dat licht omzet in elektrische energie. De spanning die door de PV-cel wordt opgewekt, hangt af van de intensiteit van het incidentele licht. De term "fotovoltaïsch" komt van de mogelijkheid om spanning ("voltaïsch") te genereren door middel van licht ("foto").

In halfgeleidermaterialen zijn elektronen gebonden door covalente bindingen. Elektromagnetische straling bestaat uit kleine energiedeeltjes genaamd fotonen. Wanneer fotonen het halfgeleidermateriaal raken, worden elektronen geënergiseerd en beginnen ze te emitteren.

Deze geënergiseerde elektronen worden foto-elektronen genoemd, en het verschijnsel van elektronemissie wordt het foto-elektrisch effect genoemd. Het werken van een fotovoltaïsche cel is afhankelijk van het foto-elektrisch effect.

Bouw van een Fotovoltaïsche Cel

Halfgeleidermaterialen zoals arseenide, indium, cadmium, silicium, seleen en gallium worden gebruikt voor het maken van PV-cellen. Silicium en seleen worden voornamelijk gebruikt voor het bouwen van de cellen.

Neem de structuur van een silicium fotovoltaïsche cel hieronder als voorbeeld:

• Het bovenoppervlak van de cel bestaat uit een dun laagje p-type materiaal zodat licht gemakkelijk het materiaal kan binnendringen.

• Metaalringen worden rond het p-type en n-type materiaal geplaatst, die respectievelijk dienen als hun positieve en negatieve uitgangsterminals.

Enkele PV-cellen worden gemaakt van monokristallijn of polykristallijn halfgeleidermaterialen.

Monokristallijn cellen worden gesneden uit één kristalklos, terwijl polykristallijn cellen worden geproduceerd uit materialen met meerdere kristalstructuren.

De uitgangsspanning en -stroom van één cel zijn vrij laag, meestal ongeveer 0,6V en 0,8A respectievelijk. Om de efficiëntie te verhogen, worden cellen in verschillende configuraties gecombineerd. Er zijn drie primaire methoden om PV-cellen te verbinden:

Parallelle Verbinding van PV-Cellen

Bij een parallelle configuratie blijft de spanning over de cellen onveranderd, terwijl de totale stroom verdubbelt (of evenredig toeneemt met het aantal cellen). De karakteristieke kromme van parallel verbonden PV-cellen is hieronder getoond.

Reeks-Parallelle Verbinding van PV-Cellen

Bij een reeks-parallelle configuratie nemen zowel de spanning als de stroom evenredig toe. Zonnepanelen worden meestal gebouwd met deze combinatie van cellen om een hogere vermogensuitvoer te bereiken.

Een zonnemodule wordt gemaakt door individuele zonnecellen te verbinden. De assemblage van meerdere zonnemodules wordt een zonnepaneel genoemd.

Werking van een PV-Cel

Wanneer licht een halfgeleidermateriaal raakt, kan het erdoorheen gaan of worden weerspiegeld. PV-cellen zijn gemaakt van halfgeleiders - materialen die noch perfecte geleiders, noch isolatoren zijn. Deze eigenschap maakt ze uitermate efficiënt bij het omzetten van lichtenergie in elektrische energie.

Wanneer de halfgeleider licht absorbeert, beginnen de elektronen te emitteren. Dit gebeurt omdat licht bestaat uit kleine energiepakketjes genaamd fotonen. Wanneer elektronen fotonen absorberen, worden ze geënergiseerd en beginnen ze zich binnen het materiaal te bewegen. Een interne elektrische veld dwingt deze deeltjes in één richting te bewegen, waardoor een stroom ontstaat. Metaalledelectroden op de halfgeleider laten de stroom naar buiten stromen.

De afbeelding hieronder toont een silicium PV-cel die is verbonden met een weerstandslast. De cel bestaat uit p-type en n-type halfgeleiderlagen die zijn samengevoegd om een PN-junctie te vormen.

De junctie is de interface tussen de p-type en n-type materialen. Wanneer licht op de junctie valt, beginnen elektronen van de ene regio naar de andere te bewegen.
Hoe worden Zonnecellen Geïnstalleerd in een Zonnepowerplant?
Apparaten zoals maximum power point trackers (MPPT's), inverters, laders en accu's worden gebruikt om zonne-energie om te zetten in elektrische spanning.

Maximum Power Point Tracker (MPPT)

Een MPPT is een gespecialiseerde digitale controller die de positie van de zon volgt. Aangezien de efficiëntie van PV-cellen afhankelijk is van de intensiteit van het zonlicht, die gedurende de dag varieert vanwege de rotatie van de aarde, passen MPPT's de oriëntatie van het paneel aan om lichtabsorptie en vermogensuitvoer te maximaliseren.

Ladercontroller

Een ladercontroller reguleert de spanning van het zonnepaneel en voorkomt overladen of overvoltage van de accu, waardoor veilige en efficiënte energieopslag wordt gegarandeerd.

Inverter

Een inverter zet gelijkstroom (DC) van de panelen om in wisselstroom (AC) voor gebruik met standaard apparatuur, die meestal AC-kracht vereist.