Wat is het fotovoltaïsch effect?

Definitie

Het fotovoltaïsche effect is een fysiek en chemisch fenomeen waarbij een materiaal elektriciteit genereert wanneer het wordt blootgesteld aan licht. Dit effect werd voor het eerst ontdekt door de Franse wetenschapper Edmond Becquerel in 1839.

Hoe werkt het fotovoltaïsch effect bij zonnepanelen?

Voor het fotovoltaïsch of foto-elektrisch effect heb je zonnecellen nodig. Hieronder bespreken we eerst de opbouw en de functie van de zonnecellen in zonnepanelen, en daarna bekijken we hoe het fotovoltaïsch effect werkt bij zonnepanelen.

De opbouw van zonnecellen

Zonnecellen zijn opgebouwd uit halfgeleidermaterialen. Meestal is dat silicium, een halfgeleidermateriaal dat perfect is om licht te absorberen en elektriciteit op te wekken.

Daarnaast bevatten zonnecellen een zogenaamde p-n overgang. Dat is een grensvlak tussen twee verschillende soorten halfgeleidermaterialen: het p-type silicium en het n-type silicium. Dankzij deze overgang ontstaat er een elektrisch veld dat de beweging van elektronen bevordert, waardoor er stroom kan ontstaan.

Functie van de zonnecel

Een zonnecel heeft verschillende functies:

• Licht absorberen in het halfgeleidermateriaal
• Elektrische stroom genereren: het elektrische veld in de p-n overgang scheidt de elektronen en gaten, waardoor een stroom van elektronen door een extern circuit kan stromen.
• Stroom verzamelen: de uiteinden van de zonnecel zijn voorzien van metalen contacten die de gegenereerde elektriciteit verzamelen en doorsturen naar een omvormer of direct naar een apparaat.

Conclusie: de rol van zonnecellen bij het fotovoltaïsch effect

1. Licht bestaat uit fotonen. Wanneer er licht op een zonnecel valt, wordt een deel van deze fotonen geabsorbeerd door het halfgeleidermateriaal van de cel.
2. De energie van de geabsorbeerde fotonen wordt overgedragen aan elektronen in het halfgeleidermateriaal.
3. Deze extra energie stelt de elektronen in staat om los te komen van hun atomen en door het materiaal te bewegen, waardoor een elektrische stroom ontstaat.

Welke materialen worden er gebruikt voor het foto-elektrisch effect?

In de meeste gevallen wordt silicium gebruikt in de zonnecellen van zonnepanelen. Verschillende soorten silicium zijn hiervoor geschikt:

• Monokristallijn silicium is gemaakt van een enkele kristalstructuur, biedt een hoge efficiëntie en levensduur, maar de productie ervan is duur.
• Polykristallijn silicium bestaat uit meerdere kristallen. Het is iets minder efficiënt dan monokristallijn, maar goedkoper om te produceren.
• Amorf silicium heeft geen kristalstructuur. Het is flexibel, wat het geschikt maakt voor diverse toepassingen. Het wordt onder andere gebruikt in dunne-film zonnepanelen. Amorf silicium is minder efficiënt dan de andere soorten silicium.

Ook de volgende alternatieve materialen zijn gebruikt voor toepassingen in zonnepanelen:

• Cadmiumtelluride (CdTe) wordt gebruikt in dunne-film zonnepanelen. Het heeft een hoge absorptiecapaciteit, maar bevat giftige materialen.
• Ook Koper-indium-gallium-selenide (CIGS) wordt gebruikt in dunne-film technologie. Het biedt een hoge efficiëntie en flexibiliteit.
• Perovskiet is een veelbelovend materiaal dat heel effectief is en bovendien mogelijks goedkoper te produceren is dan traditionele siliciumcellen.

Toepassingen van het fotovoltaïsche effect

Het fotovoltaïsch effect kennen we vooral van zonnepanelen, maar het wordt ook breder ingezet. Hieronder bespreken we de verschillende toepassingen op residentieel en commercieel/industrieel vlak. We eindigen met enkele innovatieve toepassingen.

Residentiële toepassingen: zonnepanelen

Zonnepanelen worden op daken geïnstalleerd om elektriciteit voor huishoudelijk gebruik op te wekken. Daarnaast wordt het fotovoltaïsch effect ook ingezet in zonneparken: dat zijn grote velden met zonnepanelen die elektriciteit opwekken voor gemeenschappen of voor commerciële doeleinden.