Werking zonnecellen

Zonnecellen zijn de drijvende kracht van zonnepanelen. De zonnecellen zijn namelijk verantwoordelijk voor het omzetten van zonlicht naar energie. Hierdoor kan jij de energie van je zonnepanelen gebruiken in huis. Maar hoe gaat dit proces nou precies in z’n werk? Dat leggen we je uit.

Zonnecellen vormen het hart van zonnepanelen. Een zonnecel vangt zonlicht op en zet de energie rechtstreeks om in elektriciteit. Dit wordt ook wel het fotovoltaïsche proces genoemd. Door het zonlicht worden elektronen losgeschoten en deze beweging maakt dat er elektrische stroom door de zonnecel loopt. De zonnecellen in het paneel zijn allemaal gebundeld en iedere cel heeft een eigen vermogen. Omdat de zonnecellen in serie zijn geschakeld, heeft een cel die minder vermogen opbrengt invloed op de rest van de zonnecellen. Zie het als een slinger kerstverlichting: wanneer één lampje kapot is, heeft het hele lichtsnoer hier last van.

Zonnecellen worden gemaakt van het materiaal silicium. Maar silicium geleidt nauwelijks stroom. Daarom zijn er aan de silicum-lagen van zonnecellen andere materialen toegevoegd. Voor de fanatieke scheikundigen onder ons: de bovenkant van een zonnecel bestaat voor een groot deel uit fosfor. De onderkant bestaat voornamelijk uit borium. In de bovenste fosfor-laag zit één elektron meer dan in silicium (negatieve geladen n-laag) en in de borium laag zit één elektron minder dan in silicium (positief geladen p-laag). De opbouw van een zonnecel zie je in de afbeelding hieronder. 

Het werkt als volgt: de fotonen (lichtdeeltjes) in het zonlicht raken de zonnecellen. De zonnecellen absorberen deze lichtdeeltjes. De invloed van het zonlicht zorgt er voor dat de elektronen in de n-laag vrijkomen om te bewegen. De p-laag bestaat uit vrije ruimten waar de elektronen naar toe verplaatsen. Door deze bewegende elektronen ontstaat elektrische spanning en dit resulteert in energie. De spanning in de P-N verbinding blijft aanwezig zolang er licht is. Beide lagen zijn verbonden met een metaaldraad waardoor de stroom door het zonnepaneel heen stroomt.

Het fotovoltaïsch proces samengevat in 4 stappen:

1. De fotonen (lichtdeeltjes) in het zonlicht raken het zonnepaneel en de zonnecellen. Deze deeltjes worden door de cel geabsorbeerd.
2. De n-laag in de zonnecel bestaat uit elektronen die door zonlicht vrij worden gemaakt om te bewegen. De p-laag bestaat uit vrije ruimten waar de elektronen naar toe kunnen bewegen.
3. Door het verplaatsen van de elektronen ontstaat een constante spanning in de verbinding van de zonnecel.
4. Deze spanning wordt als elektrische stroom afgevoerd door het zonnepaneel en naar de omvormer geleid. Daar wordt de stroom van de panelen omgezet in werkbare stroom voor onze apparaten.

Een zonnecel kan zwak of beschadigd zijn. Wanneer er door een verzwakking of beschadiging minder stroom door de cel kan vloeien heeft dit invloed op de rest van de zonnecellen en dus negatieve gevolgen voor de opbrengst van het hele zonnepaneel. Gelukkig zijn zonnepanelen voorzien van zogeheten bypass diodes die de stroom kunnen omleiden als een zonnecel beschadigd raakt. Kijk maar eens naar de afbeelding hieronder. 

De zonnecellen op een zonnepaneel zijn verdeeld in drie substrings (A, B en C). Op de afbeelding vallen er een aantal zonnecellen uit string A in de schaduw. Hierdoor kan er minder stroom door deze cellen lopen. Daarom schakelt deze substring uit en de bypass-diode zorgt dat de stroom alleen door de twee andere substrings (B en C) wordt geleid. Als de stroom bij dit paneel ‘arriveert’, wordt route 2 als het ware ingeschakeld. Zo wordt slechts een derde van het paneel (string A) niet gebruikt en loopt de stroom via de omleidingsroute alleen door de cellen die op vol vermogen werken. Zo blijft de totale opbrengst op een hoger peil.

Een zonnepaneel bestaat standaard uit zestig zonnecellen. Door middel van half-cut technologie zijn de panelen van Zonneplan uitgerust met 120 halve zonnecellen. De stroom wordt ‘bij binnenkomst’ in tweeën gesplitst: de helft van de stroom vloeit door het bovenste deel, de andere helft door het onderste deel. De stroom hoeft hierdoor maar de helft van de afstand af te leggen. Het gevolg? Minder weerstand en dus een hogere opbrengst. Dit wordt nog versterkt doordat een cel ook twee keer kleiner is en de stroom in de cel zelf dus ook  minder weerstand ondervindt. Door de half-cut technologie presteert het paneel bovendien beter wanneer een deel van het zonnepaneel in de schaduw ligt.