Van foton tot volt: hoe werkt een zonnecel?
Inleiding: zonne-energie in de halfgeleider
Of u nu spreekt over een zonne-installatie, zonnepaneel of zonnecel: in alle begrippen zit het woord „zonne-”, afgeleid van het Latijnse „solaris”, wat „de zon betreffend” betekent. De warme zonnestralen van onze ster zijn niet alleen levensnoodzakelijk, maar bieden ook een enorm technisch potentieel.
De kern van elke fotovoltaïsche installatie is altijd hetzelfde principe: lichtenergie wordt direct omgezet in elektrische energie. Dat werkt omdat speciale halfgeleiders zoals silicium bij lichtinval elektronen kunnen vrijmaken. In dit artikel leest u stap voor stap hoe dat proces precies verloopt.
Fotovoltaïsch effect: de basis
Bij het fotovoltaïsch effect worden onder bepaalde materiaaleigenschappen invallende fotonen (lichtdeeltjes) zo geabsorbeerd dat elektronen uit hun gebonden baan rond het atoom worden losgeslagen. Maar hoe wordt licht dan bruikbare stroom? Daarvoor is de p-n-overgang cruciaal.
Wat is een p-n-overgang?
De p-n-overgang is de grenslaag tussen twee verschillend gedoteerde halfgeleiders met specifieke geleidingseigenschappen. Deze grenslaag ontstaat door dotering – het doelgericht inbrengen van vreemde atomen in het silicium:
- P-gedoteerd silicium (bijv. met boor): Heeft vrije elektronenplaatsen (zogenoemde „gaten”) en vormt de positieve zijde (acceptor-atomen)
- N-gedoteerd silicium (bijv. met fosfor): Heeft extra vrije elektronen en vormt de negatieve zijde (donor-atomen)
- Ruimteladingszone: Op de grens tussen p- en n-gebied ontstaat een elektrisch veld dat verantwoordelijk is voor de ladingscheiding
De vrije elektronen aan de rand van het n-gebied „vallen” in de vrije elektronenplaatsen van het p-gebied. Daardoor ontstaat in de grenslaag een intern elektrisch veld.
Van foton naar spanning: het proces stap voor stap
Met de volgende stappen laat zich het hele proces van foton tot volt beschrijven:
- Foton treft de grenslaag: Een lichtdeeltje bereikt de p-n-overgang of de directe omgeving ervan
- Elektron komt vrij: Het foton draagt zijn energie over op een elektron, dat zich uit het atoom losmaakt en een positief geladen „gat” achterlaat
- Ladingscheiding: Het elektrische veld in de ruimteladingszone drijft elektronen naar de n-zijde en gaten naar de p-zijde
- Spanning ontstaat: Door de ruimtelijke scheiding van de ladingen bouwt zich een bruikbare elektrische spanning op
- Stroom gaat lopen: Zodra een verbruiker wordt aangesloten, gaat er elektrische stroom lopen – huishoudtoestellen, warmtepompen of andere toepassingen kunnen worden gevoed
Einstein en het foto-elektrisch effect
Minder bekend is dat Albert Einstein de Nobelprijs niet kreeg voor de beroemde relativiteitstheorie met de formule E=mc², maar in 1921 voor de verklaring van het foto-elektrisch effect. Het fotovoltaïsch effect is een bijzonder geval van dit foto-elektrisch effect.
Zonder Einsteins inzichten zouden moderne technologieën zoals smartphones, internet, microchips en ook fotovoltaïsche installaties in hun huidige vorm niet mogelijk zijn geweest.
Belangrijke kengetallen van een zonnecel
Rendement van het paneel
Het rendement geeft aan welk deel van de invallende zonnestraling daadwerkelijk wordt omgezet in elektrische energie:
- Monokristallijne panelen: 18–24% (hoogste rendement)
- Polykristallijne panelen: 15–20% (goede prijs-prestatieverhouding)
- Dunnefilmpanelen: 8–15% (lichte integratie, flexibele toepassingen)
- Experimentele cellen: Tot ca. 47% in het laboratorium (tandemzonnecellen)
Ter vergelijking: een klassieke gloeilamp zet slechts ongeveer 5% van de energie om in licht – de rest gaat als warmte verloren.
Temperatuurcoëfficiënt
Een hogere cel- en paneeltemperatuur verlaagt de spanning en daarmee het vermogen. Typische waarden:
- Bij een temperatuurstijging van 1°C daalt het vermogen met ongeveer 0,3–0,5%
- Bij 40°C celtemperatuur in plaats van 25°C (standaard testconditie) verliest een paneel al circa 4,5–7,5% vermogen
Schaduw & bypass-diodes
Gedeeltelijke beschaduwing van een paneel vermindert de stroomsterkte sterk – niet alleen evenredig met het beschaduwde oppervlak. Bypass-diodes beperken deze opbrengstverliezen door beschaduwde celstrengen te overbruggen.
Materiaalkeuze in één oogopslag
| Technologie | Rendement | Voordelen | Nadelen |
|---|---|---|---|
| Monokristallijn | 18–24% | Hoogste efficiëntie, lange levensduur | Hogere kosten |
| Polykristallijn | 15–20% | Voordeliger, beproefde techniek | Iets lager rendement |
| Dunne film | 8–15% | Flexibel, licht, relatief schaduwtolerant | Laagste rendement |
Conclusie
Kort samengevat: De zonnecel is het hart van elke fotovoltaïsche installatie. Dankzij het fotovoltaïsch effect en de slimme opbouw met gedoteerde halfgeleiders wordt zonlicht direct omgezet in elektrische stroom.
De volgende stap: Opbouw van een PV-installatie: van paneel tot netinvoeding
Bronnen en verder lezen
- Elektronik-Kompendium: Halfgeleiders en dotering
- LeifiPhysik: Silicium-zonnecellen
- HTW Berlin: Efficiëntiegids voor PV-opslagsystemen
- Solarwissen: Dotering eenvoudig uitgelegd
Nu uw PV-opbrengst berekenen
Onze gratis zonnecalculator berekent met actuele PVGIS-gegevens de te verwachten stroomopbrengst, het eigen verbruik en de rendabiliteit van uw fotovoltaïsche installatie.