In de afgelopen artikelen hebben we het gehad over energie opwekken door beweging en chemie. In dit doctorsspreekuur de derde vorm van energie opwekken!

Beste doctor,

Ik zie vlekken. Grote zwarte, en ik zie ze steeds vaker als ik door de straat loop. Een paar jaar geleden zag ik ze maar heel af en toe, maar de laatste tijd zie ik ze vaker en vaker. Ik wordt er gek van doctor. Waar komen ze vandaan? Die grote zwarte glimmende vlekken, bovenop de daken. Soms plat op een schuin dak, soms schuin op een plat dak.
Het is allemaal leuk en aardig doctor, maar ik begrijp niet hoe het werkt. Hoe krijgt zo’n grote zwarte plaat in vredesnaam stroom uit zonlicht?

Zonnepanelen

Ze liggen tegenwoordig op zo’n beetje elk groot dak: zonnepanelen. Het lijkt echt iets van de laatste paar jaar te zijn, toch zijn zonnecellen helemaal niet zo nieuw. Ken je die mooie rekenmachientjes met een zonnecelletje nog?

Kleine rekenmachientjes die op zonne-energie werken

Die komen uit de jaren 70.

En de eerste ‘zonnecel’ werd gemaakt in 1878.

Dat is bijna 140 jaar geleden

Wat?

Waarom draait de hele wereld niet al lang op zonnecellen dan?

Dat komt vooral doordat zonnecellen niet zo lang geleden nog ontzettend duur waren. In 1977 kostte de stroom die met zonnepanelen opgewekt kon worden 78 dollar per watt. Met 1 watt kun je niet zoveel. Een gemiddelde LED-lamp of spaarlamp in je huis gebruikt al snel 10 watt, dus om een boekje te kunnen lezen zou je 780 dollar moeten betalen.

Dat gaat niet werken.

Tegenwoordig is de productie van zonnecellen een stuk goedkoper. Dit komt doordat de techniek waar de meeste commerciële zonnecellen op gebaseerd zijn ook gebruikt worden voor het maken van computers. In beide gevallen zijn siliciumkristallen nodig. Met de vlucht van de computer werd het maken van dit materiaal goedkoper, waardoor de zonnecellen ook voordeliger geproduceerd konden worden.

Efficiëntie

Daarnaast werden de zonnecellen ook steeds efficiënter. De eerste commerciële zonnecel uit 1955 had een efficiëntie van twee procent. Twee procent van de energie die de cel opvangt in de vorm van zonlicht kon gebruikt worden als elektrische energie.

Zo’n celletje kostte 25 $, wat niet duur lijkt. Totdat je verteld wordt dat dit met het toenmalige productieproces en de efficiëntie van 2% neerkwam op bijna 1800 dollar per watt.

Grid Parity

De cellen werden gelukkig goedkoper, en wanneer dit doorgaat kom je op een gegeven moment op het punt dat de stroom uit je zonnepanelen (per watt) even duur is als de stroom die Eneco of Nuon uit je stopcontact laat komen. Dat punt wordt Grid Parity genoemd, en dit gebeurde voor het eerst in Duitsland in 2011.

Van die prijsveranderingen kun je dit soort leuke grafiekjes maken:

Prijs van verschillende energieen in verloop van tijd

De groene lijn is de prijs van energie uit zonnepanelen. De oranje is de prijs van de stroom van een netbeheerder.

Grid Parity is het moment dat zonnepanelen niet langer alleen maar interessant zijn voor idealisten, maar ook voor de gemiddelde consument. En daarom worden de daken de laatste tijd dus steeds zwarter.

Maar dat was de vraag niet!

De vraag was:

Hoe werkt een zonnecel?

Zoals al eerder gezegd bestaat elektriciteit uit het bewegen van elektronen. Deze elektronen zijn afkomstig van atomen, die bestaan uit een positief geladen atoomkern en daar omheen een wolk van negatief geladen elektronen.

De opbouw van een atoom

Je kunt ook heel veel atomen op elkaar stapelen. Als ze geordend gestapeld zijn (zoals in dit tekeningetje) dan noem je dat een kristal.

Een geordende stapeling van atomen heet een kristal

Afbeelding 1. Een geordende stapeling van atomen.

Bij sommige materialen (sommige typen atomen) zoals ijzer kunnen in zo’n stapeling de elektronenwolken gaan overlappen, en één hele grote elektronenwolk worden die door het hele kristal heen loopt.

Wanneer een de atomen van een kristal hun electronen delen in een grote elektronenwolk is dat een geleider

Afbeelding 2. Een geleider heeft een gedeelde elektronenwolk.

Materialen die dit doen noem je een geleider: de grote elektronenwolk kan heel makkelijk elektronen doorgeven waardoor er elektronen (elektriciteit) door het metaal heen kunnen stromen.

Bij een isolator gebeurt dit juist niet, de elektronenwolken blijven van elkaar gescheiden (zoals in afbeelding 1 hierboven) en daardoor kan er geen elektriciteit door het materiaal heen stromen.

Maar er is nog een derde type, de halfgeleider. Bij de halfgeleider is er wel een grote gedeelde elektronenwolk, maar daar zitten geen elektronen in. Deze is ‘leeg’.

Dat klinkt een raar (een lege wolk is niet echt een wolk he?), maar het is een vergelijkbaar met een snelweg midden in de nacht: er is wel een mogelijkheid om om 3 uur ’s nachts van Apeldoorn naar Zwolle te rijden, alleen niemand maakt er gebruik van.

Een halfgeleider heeft ook een gedeelde elektronenwolk, maar die is leeg

Afbeelding 3. Een halfgeleider heeft ook een gedeelde elektronenwolk, maar die is leeg.

Bij halfgeleiders is deze snelweg alleen bereikbaar voor elektronen die een bepaalde energie hebben. Door de elektronen van de atomen wat extra energie te geven kun je ze in de geleidende baan krijgen. Vandaar de naam halfgeleider: in de gewone staat is het geen geleider (een isolator dus), maar als je er energie in stopt dan wordt het wel een geleider.

Door energie in een halfgeleider te stoppen kan een elektron in de lege geleidende wolk terecht komen.

Licht en energie

We zijn nu bijna bij de zonnecel. Het laatste dat je moet weten is dat (zon)licht ook een vorm van energie is. Verschillende kleuren licht (verschillende golflengten) hebben verschillende energieën: rood licht heeft minder energie, blauw licht heeft meer energie.

Elke kleur licht heeft een eigen golflengte, en daarmee ook een eigen energienieau.

Elke kleur licht heeft een eigen golflengte (wavelength), en daarmee ook een eigen energienieau (photon energy).

De hoeveelheid energie die nodig is om elektronen in de geleidende baan te krijgen hangt af van het type materiaal. En bij sommige materialen zoals siliciumkristallen komt de benodigde hoeveelheid energie overeen met die van zonlicht!

Voor het maken van een zonnepaneel moet je nog een paar andere slimme trucs gebruiken, maar door zonlicht op de juiste halfgeleider te schijnen kun je elektronen van de atomen de snelweg op schieten en vervolgens gebruiken.

Dat is de basis van het zogenaamde fotovoltaïsche effect.

(kleine terzijde: drie keer raden wie er in 1901 ook een patent op een zonnecel had?)

Lees ook:

Deel 1: Elektriciteit uit beweging

Deel 2: Elektriciteit uit chemie

Voor meer leuke grafiekjes over zonne-energie, klik hier.

Wil je wekelijks een e-mail update van de Hoofdwerker?

Schrijf je in op de nieuwsbrief!

Nieuwsbrief wordt beheerd via MailChimp