thumb|Een fotovoltaïsche cel van 10 cm bij 10 cm thumbtime=47|thumb|Hoe wordt zonlicht elektriciteit? - Universiteit van Vlaanderen Een fotovoltaïsche cel, ook wel PV-cel genoemd, is een zonnecel die licht omzet in elektriciteit.
Het belangrijkste onderdeel van een gewone fotovoltaïsche cel is een stuk halfgeleidend materiaal met een pn-overgang (fotodiode). De elektrische stroom kan maar in één richting door de zonnecel lopen. Als er (zon)licht (elektromagnetische straling) op de zonnecel valt, worden er elektronen losgestoten, die dan in de gewenste richting bewegen. Deze losgemaakte elektronen vormen de opgewekte elektrische stroom.
Om praktisch nut van deze cellen te hebben, worden deze meestal in een zonnepaneel gemonteerd dat dan de naam PV-paneel krijgt. Een zonnepaneel levert gelijkspanning. Het paneel kan worden aangesloten op een omvormer om wisselspanning te krijgen. De energie kan meteen worden gebruikt door de erop aangesloten apparaten. Er kan ook een accu mee worden opgeladen. Opslaan in een batterij is enkel nuttig indien er geen netstroom ter beschikking is, bijvoorbeeld voor lichtbakens, caravans, boten en signalisatie. Als een PV-paneel op het lichtnet aangesloten is, kan het daar eventueel stroom aan leveren. De wisselwerking tussen eigen opbrengst en terugleveren van overschotten aan het net is veel rendabeler dan opslaan in een batterij.
Werking Een fotovoltaïsche zonnecel bevat een dun stuk halfgeleidend materiaal. Dat is bijvoorbeeld een dunne plak silicium van 3 mm dik met een diameter van 10 cm. De zonnecel kan ook kleine lichtabsorberende deeltjes bevatten, die door een ondersteunende, misschien zelfs doorzichtige en buigzame, ondergrond gedragen worden.
Voorbeeld: een monokristallijne siliciumcel
In dit voorbeeld gaat het over een silicium zonnecel met een regelmatige kristalstructuur. Een silicium-atoom heeft vier elektronen in zijn buitenste schil. De elektronen dragen bij aan de stevigheid van de kristalstructuur, maar raken zelf gemakkelijk los, bijvoorbeeld als er zonlicht op valt.
Onbewerkt silicium geleidt nauwelijks stroom. In die stof valt een door zonlicht getroffen elektron gemakkelijk terug op zijn oude plaats. Daarom wordt van zuiver silicium een halfgeleider gemaakt door andere stoffen (in kleine hoeveelheden) toe te voegen. Aan de bovenkant van de wafer wordt bijvoorbeeld fosfor en aan de onderkant borium toegevoegd. De toegevoegde atomen krijgen een plaats in de kristalstructuur.
thumb|Fotovoltaïsche cel Fosfor heeft (vergeleken met silicium) een extra elektron in zijn buitenste schil dat niet echt nodig is om de bindingen in stand te houden. Dat elektron heeft meer vrijheid en zorgt voor een betere elektriciteitsgeleiding in het silicium. Borium heeft in zijn buitenste schil een elektron minder dan silicium. Als boriumatomen aan de onderkant worden toegevoegd ontstaan gaten, die ervoor zorgen dat elektronen gemakkelijker kunnen doorschuiven door het materiaal. Dat zorgt ook voor een betere elektriciteitsgeleiding in de zonnecel.
Vlak na het samenvoegen van deze stoffen gaan een aantal elektronen van de fosforkant (de kant met de n-type dotering) naar de boriumkant bewegen. Deze elektronen vullen de gaten die ze tegenkomen. In het midden wordt een scheidingsvlak gevormd. Het resultaat is dat de bovenkant (de n-type kant) positief en de onderkant negatief geladen wordt. Op een gegeven moment wordt de bovenkant zo sterk positief geladen dat het doorgeven van elektronen stopt. Er is een halfgeleider ontstaan waar elektrische stroom maar in één richting doorheen kan stromen. Het scheidingsvlak in het midden, waar elektronen gaten hebben gevuld, heet de uitputtingszone.
De PV-cel als stroombron Er loopt pas stroom door de zonnecel als er licht op valt. Door het zonlicht worden er elektronen losgestoten. Ze raken los van de atomen waarmee ze verbonden zijn en gaan vrij door het materiaal (de halfgeleider) bewegen. (Ze zijn van de valentieband naar de geleidingsband gepromoveerd.) De vrije elektronen kunnen in principe maar één kant op. Ze stromen naar de kant met de n-type dotering. Daardoor gaat er stroom door de zonnecel lopen. De stroom gaat vanuit de halfgeleider naar elektrische apparaten die op het circuit aangesloten zijn.
Als een elektron door zonlicht wordt losgestoten, ontstaat een gat. Als het elektron weg is, hebben honderden andere elektronen de ruimte om door de stof te bewegen. Daarbij vullen ze steeds een gat, waarbij weer een volgend gat ontstaat. Daardoor kan een gat bij wijze van spreken door het materiaal heen lopen. De junctie of overgang (de uitputtingszone in het midden) kan zo nodig door een elektron worden overgestoken nadat het door een foton zonlicht is geraakt. De gaten kunnen het scheidingsvlak ook oversteken, maar zij gaan de andere kant op.
Het is mogelijk om cellen te maken met meerdere scheidingsvlakken. Zulke cellen kunnen beschouwd worden als twee of meer zonnecellen op elkaar.
Geschiedenis miniatuur| De wet van Swanson, de leercurve van zonnepanelen De term "fotovoltaïsch" komt van een Oudgrieks woord (φώς, phōs) en de naam van de Italiaanse natuurkundige Volta, naar wie de eenheid volt is genoemd. Het betekent letterlijk van licht en elektriciteit.
In 1839 werd het fotovoltaïsche effect voor het eerst onderkend door de Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel. De eerste zonnecel werd in 1883 door Charles Fritts gemaakt. Hij bedekte een halfgeleider, seleen, met een uiterst dunne laag goud om op die manier de juncties te vormen. Het apparaat had een rendement van 1%. Russell Ohl ontdekte de pn-junctie in 1939. Hij patenteerde de moderne zonnecel in 1946 (US2402662, "Light sensitive device"). Daarvoor had Sven Ason Berglund al een patent op methoden om de capaciteit van lichtgevoelige cellen te verhogen. Het moderne tijdperk van zonne-energietechnologie begon in 1954, toen bij Bell Laboratories onverwacht werd ontdekt dat silicium erg gevoelig is voor licht als het bepaalde onzuiverheden bevat. De ontdekking leidde tot de productie van de eerste praktisch bruikbare zonnecel met een rendement (zonne-energie ten opzichte van elektrische energie) van ongeveer 6%.
De meest bekende soort PV-cel heeft een groot oppervlak en een enkele laag, waarvan de dikte wordt uitgedrukt in micrometers. Ze kunnen bijvoorbeeld 300 micrometer dik zijn. Deze laag is diode met een p-n junctie. Later werden PV-cellen gemaakt volgens de dunnelaagtechnologie, met lagen die dunner zijn dan 1 micrometer. Daarbij worden meer lagen op elkaar gelegd, waarbij elke laag een andere taak krijgt. Ze absorberen bijvoorbeeld elk een deel van het zonlicht. Elke laag wordt daarbij afgestemd op een bepaald stuk van het zonnespectrum. De ontwerpers streven ernaar om zo veel mogelijk golflengtes van het spectrum op te vangen. Relatief nieuw is de ontwikkeling van kwantumpuntcellen. Ze bevatten uiterst kleine nanodeeltjes van rond de 20 nanometer die uit elektronen bestaan.
Toepassingen Ruimtevaart De eerste bruikbare PV-cellen werden in de jaren 1950 ontwikkeld omdat men in de ruimte een energiebron wilde hebben. Men maakte daarbij handig gebruik van het feit dat er voor de elektronica - destijds de transistor - een op het groeien van eenkristallen van silicium gebaseerde technologie ontstaan was. Er viel vrij eenvoudig door dotering van dit bijzonder zuivere silicium (typisch 1 vreemd atoom per 1013) een zonnecel te maken. Het probleem was dat de opbrengst maar een paar procent van de opvallende zonne-energie was en dat er in de ruimte al snel schade ontstond door het hoge stralingspeil.
Men keek ook voorbij aan het feit dat in het produceren van de cel wel erg veel energie gestopt moest worden. Je moest de cel wel erg lang gebruiken om die er weer uit te krijgen, maar voor de ruimtevaart was dat geen probleem. Er werd ook voorbij gekeken aan het feit dat silicium een indirecte bandgap heeft, en dat beperkt de mogelijke opbrengst danig. Daar stond tegenover dat silicium een van de weinige halfgeleiders was waar men heel veel van wist. De ontwikkeling van die kennis had veel tijd en geld gekost.
Aardse toepassingen Ook op aarde worden zonnecellen steeds meer toegepast, vooral op plaatsen waar een stopcontact niet bereikbaar is. Ze zijn inmiddels een stuk verbeterd en leveren een hogere opbrengst. Sinds de eerste oliecrisis van de jaren 70 is er gezocht naar mogelijkheden om er op veel ruimere schaal energie mee te winnen. Begin jaren 80 is dat onderzoek weer goeddeels op een laag pitje gezet door allerlei bezuinigingen, maar na de stijging van de olieprijzen in de millenniumjaren is er weer meer belangstelling voor deze technologie.
Het was al rond 1980 duidelijk dat, wil deze technologie werkelijk een concurrent worden voor andere technologieën, de cellen vervaardigd zullen moeten worden van iets anders dan een eenkristal. Op zich is er geen fundamentele reden waarom dit niet zou kunnen. De uiterst hoge zuiverheid en het eenkristallijne karakter is op zich niet nodig voor een zonnecel.
Onderzoek concentreert zich daarom op een aantal aspecten:
andere materialen (liefst met een directe bandgap) niet-kristallijne of polykristallijne halfgeleiders goedkopere productiemethoden (zowel naar geld als naar energie) cellen die meer dan één bandgap hebben
Het is bijvoorbeeld mogelijk gebleken halfgeleiders als CuInSe2 in dunne lagen op te dampen en daarmee vrij hoge rendementen te behalen (17%). Ook amorf silicium is een mogelijkheid. Voor dit soort systemen is geen dure en energieverslindende kristalgroei nodig.
Lichtabsorberende materialen Alle fotovoltaïsche zonnecellen hebben een materiaal nodig dat fotonen (van het zonlicht) kan absorberen, om daarmee elektriciteit op te wekken. De lichtabsorberende materialen werken niet allemaal hetzelfde. Ze kunnen elk maar een deel van het spectrum van het zonlicht absorberen: ze zijn geschikt voor bepaalde golflengten (kleuren) van het zonlicht. Buiten de dampkring is het zonlicht anders van samenstelling. Er bestaan zonnecellen die daarvoor geoptimaliseerd zijn.
Silicium als bulkmateriaal Silicium in een zonnecel hoeft niet zo zuiver te zijn als silicium dat bestemd is voor halfgeleiders in computerhardware, waar heel hoge eisen aan wordt gesteld. Silicium komt op aarde in de verbinding silica (SiO2) voor. Het is een van de meest voorkomende stoffen, maar het kost veel energie om daaruit Silicium (Si) te produceren. Bij het huidige productieproces reageert koolstof met silica bij een hoge temperatuur van een paar duizend graden Celsius. Dit silicium heeft een zuiverheid van ongeveer 98%. Er zijn meer bewerkingen nodig voor de grondstof de gewenste zuiverheid heeft gekregen.
Vaste silica kan ook rechtstreeks in zuiver silicium omgezet worden door elektrolyse in een zoutoplossing bij een lagere temperatuur. Dat soort silicium verpulvert gemakkelijk. Het worden dan korreltjes van een paar micrometer dik. Die eigenschap biedt misschien mogelijkheden voor de fotovoltaïsche industrie.
Een blok silicium kan op een aantal manieren worden gemaakt en tot plakjes verwerkt:
monokristallijn silicium (c-Si) wordt vaak met het Czochralski-proces geproduceerd. Er wordt een staaf in een vat met gesmolten silicium gestoken. De (roterende) staaf wordt langzaam omhoog getrokken. De punt van de staaf is een kristal. Het gesmolten silicium neemt de kristalstructuur van die punt over, terwijl het uit het vat omhooggetrokken wordt. Het siliciumkristal, dat eruitziet als een cilinder, wordt daarna in plakjes gesneden. Deze plakjes zijn de zogenoemde wafels (Engels: wafers). Ze zijn cirkelvormig en kunnen dus niet de hele zonnecel bedekken. De hoeken van de cel worden niet opgevuld. Nog meer zagen zou een groot verlies van goed materiaal betekenen. De wafels zijn ongeveer 0,3 mm dik.