Informatie
Het 'fotovoltaïsch effect' werd voor het eerst waargenomen in 1839 door de Franse natuurkundige Alexandre-Edmond Becquerel.[1] Het duurde echter tot 1883 voordat de Amerikaanse wetenschapper Charles Fritts dit fenomeen benutte voor het bouwen van de eerste zonnecel. Fritts' zonnecel was opgebouwd uit een halfgeleidend seleen gecoat met een extreem dun, transparant laagje goud. Zijn zonnecel kon slechts 1 procent van het licht omzetten in stroom.
Een zonnecel in werking. Zonnecellen bestaan uit halfgeleiders. Zonlicht kan elektronen losmaken uit de atomen in die halfgeleider, die dan door een elektrisch circuit gaan lopen. De achterblijvende gaten in het rooster hebben netto een positieve lading en bewegen de andere kant op: naburige elektronen schuiven het gat in, dat zich zo ‘verplaatst’.
bron: Resources and Protection Technology..
Voor de productie wordt silaangas (SiH4), dat het silicium bevat, en waterstofgas (H2) gebruikt. Het wordt aangebracht door plasma
enhanced - chemical vapor deposition (PE-CVD). Afhankelijk van de methode kan het eindresultaat het volgende bevatten:
Amorf silicium (a-Si of met extra waterstof a-Si:H) of protokristallijn silicium of nanokristallijn silicium (nc-Si of met extra waterstof nc-Si:H)
Amorf silicium heeft een hogere bandgap (1.7 eV) dan kristallijn silicium (c-Si)(1.1 eV). Amorf silicium kan het zichtbare licht beter opnemen, maar neemt het infrarode deel van het spectrum niet mee. Amorf en nanokristallijn silicium kunnen gecombineerd worden in dunne lagen. De cel die zo samengesteld is, heet een tandemcel. De bovenste cel van a-Si absorbeert het zichtbare licht en laat het infrarood over aan de onderste cel van nanokristallijn silicium.
CIS
De afkorting CIS staat voor CuInSe2 (koper, indium en selenide). Het rendement van deze cellen is 13,5% (gehaald in 2005). De productiekosten zijn nog steeds hoog. De technologie is nog in ontwikkeling. Specifieke optische en elektrische eigenschappen van deze stoffen (en van andere stoffen die er veel op lijken) maken het mogelijk dat zonnecellen voor specifieke doelen worden geproduceerd. De stof Seleen (Se) zorgt ervoor dat de laag een goede gelijkmatige structuur heeft. Daardoor is het aantal plaatsen waarin elektronen en gaten elkaar opheffen (hercombinatie plekken) klein. Dat heeft voordelen voor het kwantumrendement en dus ook voor het omzettingsrendement.
CIGS
CIGS is een verzamelnaam voor dunnelaagscomposieten. De afkorting staat voor copper (koper), indium, gallium en selenide. Het is een variant van CIS. De zonnecel kan niet beschreven worden met een eenvoudig model van een enkele pn-overgang (zoals bij een siliciumcel), want het heeft meerdere overgangen. Het gebruik van gallium verhoogt de bandgap van de CIGS-laag (vergeleken met een CIS-zonnecel), en daarmee ook de elektrische spanning. Gallium vervangt indium vaak, omdat het minder zeldzaam is.
In december 2005 bereikte CIGS een rendement van 19.5%. Een hoger rendement (ongeveer 30%) kan gehaald worden door het licht met optische instrumenten te bundelen en zo op de cel te richten. Voor flexibele CIGS-cellen (met een polyimide ondergrond) werd door Tiwari en zijn team aan de ETH in Zwitserland een omzettingsrendement van 14.1% gehaald (2005).
* 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 eruit ziet als een cilinder, wordt daarna in plakjes gesneden. Deze plakjes zijn de zogenaamde 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.
* polykristallijn silicium (poly-Si of mc-Si) wordt gemaakt door vloeibaar silicium in vierkante gietvormen te gieten. Het productieproces is eenvoudiger en goedkoper. De grote blokken gesmolten silicium worden voorzichtig gekoeld en in vaste vorm gebracht. De donkere plekken die erop zichtbaar zijn, zijn de ongestructureerde smeltplekken tussen de verschillende kristallen in het blok. De kristallen sluiten niet goed op elkaar aan en daarom is het rendement van de cellen lager. Polykristallijne siliciumplakjes met een dikte van 180 tot 350 micrometer worden van het gegoten blok gezaagd (door middel van draadzagen). De plakjes hebben bijvoorbeeld een zwakke p-type dopering, voordat aan het oppervlak een n-type dopering wordt uitgevoerd. Er vormt zich een pn-overgang op een paar honderd nanometer onder de oppervlakte. Grote fabrikanten gebruiken meestal polykristallijn silicium voor zonnecellen, omdat de productiekosten van monokristallijne cellen hoger liggen.
*Silicium in de dunnelaagtechnologie. Voor de dunnelaagtechnologie wordt vaak amorf silicium gebruikt. Het heeft geen kristalstructuur, maar is onregelmatig gevormd. Het heeft gedraaide bindingen en losse uiteinden. De atomen aan de uiteinden vangen op ongewenste momenten elektronen op en werken dus de elektrische stroom tegen. Daarom wordt er waterstof toegevoegd om zich met de uiteinden te verbinden. De productiekosten van amorf silicium zijn lager dan die van polykristallijn silicium. Het rendement is lager. Dat geldt ook voor het kwantumrendement (dat deel uitmaakt van het totale rendement), want er worden minder ladingsdragers gemaakt met behulp van de invallende fotonen, dan in poly-Si.
