Elektronen op gang krijgen met zonlicht

Het basisprincipe van zonnecellen is eenvoudig. Zonlicht bestaat uit fotonen (‘deeltjes’) die elektronen uit chemische verbindingen (atoomverbindingen) kunnen schieten. Het was niemand minder dan Einstein die dit in 1905 heeft aangetoond, wat hem 16 jaar later de Nobelprijs opleverde. De omzetting van fotonen in elektriciteit wordt het fotovoltaïsch effect genoemd (Engels: PhotoVoltaic). Energie opgewekt met zonnecellen wordt daarom ook wel met PV-energie aangeduid ter onderscheid van het gebruik van de zonnewarmte bijvoorbeeld in thermische zonnecentrales. Zonnecellen geven in het algemeen een te lage spanning af voor praktisch gebruik. Door meerdere cellen in serie te schakelen ontstaat het zonnepaneel, dat een hogere spanning (bijvoorbeeld 30 volt gelijkstroom) opwekt. Bij grote installaties worden zonnepanelen gekoppeld tot zogenoemde zonne-arrays.

Een elektron is negatief geladen en een stroom van elektronen is wat uit ons stopcontact komt. Elektriciteit. Het is dus de kunst te zorgen dat die losgeschoten elektronen met elkaar in één richting gaan bewegen en van de ene kant van de zonnecel ‘buitenlangs’ naar de andere kant worden teruggetransporteerd. Aan de buitenkant kunnen we die stroom dan gebruiken om een lamp te laten branden, een motor te laten draaien, enzovoorts

: Figuur 6: Elektronen opgewekt in een zonnecel stromen via een lamp terug naar die zonnecel en geven zo energie [ECN-01]

Als een elektron uit een chemische verbinding wordt ‘bevrijd’ ontstaat op die plaats een positieve lading: het ‘gat’. Dit gat behoort bij het atoom dat z’n elektron heeft verloren. Elektronen uit andere bindingen kunnen naar dit gat toespringen, waarmee elders een positieve lading ontstaat. Gemakshalve wordt gezegd dat de gaten zich verplaatsen. Door ervoor te zorgen dat de gaten en elektronen zich naar verschillende kanten van de zonnecel bewegen (in figuur 6 gaan de elektronen naar boven en de gaten naar beneden), kan er die stroom buitenlangs op gang worden gebracht, omdat de gaten de elektronen aantrekken.

: Figuur 7.

Waar het bij zonneceltechnologie dus om gaat is:

elektron/gat combinaties maken met zonlicht
de elektronen en gaten van elkaar scheiden
de elektronen en gaten naar verschillende kanten transporteren

Om ladingsscheiding en transport mogelijk te maken is het van belang dat in het materiaal een elektrisch veld bestaat. Elektronen en gaten zijn immers geladen ‘deeltjes’ en zullen in een elektrisch veld in tegengestelde richting gaan bewegen. De grap van zonnecellen is dat ze uit materialen bestaan die zelf voor zo’n veld zorgen. In de gangbare cellen gaat het om het halfgeleidermateriaal silicium, of preciezer: om twee siliciumlagen die met ieder met andere atomen ‘vervuild’ zijn (meestal fosfor en borium). Waar deze lagen elkaar raken ontstaat een ingebouwd elektrische veld, dat gebruikt wordt om de elektronen en gaten van elkaar te scheiden.