science >> Wetenschap >  >> Natuur

Hoe zonnecellen werken

Dit is een plek waar je waarschijnlijk gewend bent om zonnecellen te zien, maar ze zullen in de loop van de jaren meer opduiken. Zie meer het vernieuwen van de rasterafbeeldingen. Martin Barraud / Getty Images

Je hebt waarschijnlijk rekenmachines met zonnecellen gezien -- apparaten die nooit batterijen nodig hebben en in sommige gevallen, heb niet eens een uit-knop. Zolang er voldoende licht is, ze lijken voor altijd te werken. Je hebt misschien ook grotere zonnepanelen gezien, misschien op noodverkeersborden, telefooncellen, boeien en zelfs op parkeerplaatsen om de lichten van stroom te voorzien.

Hoewel deze grotere panelen niet zo gewoon zijn als rekenmachines op zonne-energie, ze zijn daarbuiten en niet zo moeilijk te herkennen als je weet waar je moet kijken. In feite, fotovoltaïsche -- die ooit bijna uitsluitend in de ruimte werden gebruikt, die de elektrische systemen van satellieten al in 1958 van stroom voorziet -- worden steeds meer op minder exotische manieren gebruikt. De technologie blijft de hele tijd opduiken in nieuwe apparaten, van zonnebrillen tot oplaadpunten voor elektrische voertuigen.

De hoop op een "zonnerevolutie" zweeft al tientallen jaren rond - het idee dat we op een dag allemaal gratis elektriciteit van de zon zullen gebruiken. Dit is een verleidelijke belofte, want op een heldere, zonnige dag, de zonnestralen geven ongeveer 1, 000 watt energie per vierkante meter van het aardoppervlak. Als we al die energie zouden kunnen verzamelen, we kunnen onze huizen en kantoren gemakkelijk gratis van stroom voorzien.

In dit artikel, we gaan zonnecellen onderzoeken om te leren hoe ze de energie van de zon direct omzetten in elektriciteit. In het proces, je zult leren waarom we steeds dichter bij het dagelijks gebruik van de energie van de zon komen, en waarom we nog meer onderzoek moeten doen voordat het proces kosteneffectief wordt.

Inhoud
  1. Fotovoltaïsche cellen:fotonen omzetten in elektronen
  2. Hoe silicium een ​​zonnecel maakt
  3. Anatomie van een zonnecel
  4. Energieverlies in een zonnecel
  5. Een huis op zonne-energie
  6. Problemen met zonne-energie oplossen
  7. Uw installatie voor zonne-energie voltooien
  8. Ontwikkelingen in zonneceltechnologie
  9. Zonne-energiekosten

Fotovoltaïsche cellen:fotonen omzetten in elektronen

De zonnecellen die je op rekenmachines en satellieten ziet, worden ook wel fotovoltaïsche (PV) cellen genoemd, wat, zoals de naam al aangeeft (foto betekent "licht" en voltaïsch wat "elektriciteit" betekent), zonlicht direct omzetten in elektriciteit. Een module is een groep cellen die elektrisch zijn verbonden en verpakt in een frame (beter bekend als een zonnepaneel), die vervolgens kunnen worden gegroepeerd in grotere zonnepanelen, zoals die op Nellis Air Force Base in Nevada.

Fotovoltaïsche cellen zijn gemaakt van speciale materialen die halfgeleiders worden genoemd, zoals silicium, die momenteel het meest wordt gebruikt. In principe, wanneer licht de cel raakt, een bepaald deel ervan wordt geabsorbeerd in het halfgeleidermateriaal. Dit betekent dat de energie van het geabsorbeerde licht wordt overgedragen aan de halfgeleider. De energie klopt elektronen los, waardoor ze vrij kunnen stromen.

PV-cellen hebben ook allemaal een of meer elektrische velden die ervoor zorgen dat elektronen die door lichtabsorptie zijn vrijgemaakt, in een bepaalde richting stromen. Deze stroom van elektronen is een stroom, en door metalen contacten aan de boven- en onderkant van de PV-cel te plaatsen, we kunnen die stroom afnemen voor uitwendig gebruik, zeggen, rekenmachine aandrijven. Deze huidige, samen met de spanning van de cel (die het resultaat is van het ingebouwde elektrische veld of velden), bepaalt het vermogen (of wattage) dat de zonnecel kan produceren.

Dat is het basisproces, maar er is echt veel meer aan de hand. Op de volgende pagina, laten we eens dieper ingaan op een voorbeeld van een PV-cel:de monokristallijne siliciumcel.

Zonne-energie, Groen gaan

Het toevoegen van zonnepanelen aan een bestaand huis kan duur zijn, maar er zijn tal van andere manieren om uw huis groener te maken. Lees meer over wat u kunt doen om het milieu te beschermen op Planet Green van Discovery Channel.

Hoe silicium een ​​zonnecel maakt

voorzitter Barack Obama, Meerderheidsleider van de senaat Harry Reid van Nevada, en kolonel Howard Belote, bekeek de zonnepanelen op Nellis Air Force Base in Nevada in mei 2009. AP Photo/Charles Dharapak

Silicium heeft een aantal speciale chemische eigenschappen, vooral in zijn kristallijne vorm. Een siliciumatoom heeft 14 elektronen, gerangschikt in drie verschillende schelpen. De eerste twee schillen - die respectievelijk twee en acht elektronen bevatten - zijn helemaal vol. De buitenste schil, echter, is slechts halfvol met slechts vier elektronen. Een siliciumatoom zal altijd zoeken naar manieren om zijn laatste schil te vullen, en om dit te doen, het zal elektronen delen met vier nabijgelegen atomen. Het is alsof elk atoom de hand van zijn buren vasthoudt, behalve dat in dit geval elk atoom heeft vier handen die zijn verbonden met vier buren. Dat is wat de . vormt kristallijne structuur , en die structuur blijkt belangrijk te zijn voor dit type PV-cel.

Het enige probleem is dat zuiver kristallijn silicium een ​​slechte geleider van elektriciteit is omdat geen van zijn elektronen vrij kan bewegen. in tegenstelling tot de elektronen in meer optimale geleiders zoals koper. Om dit probleem aan te pakken, het silicium in een zonnecel heeft onzuiverheden -- andere atomen doelbewust vermengd met de siliciumatomen -- wat de manier waarop dingen werken een beetje verandert. We beschouwen onzuiverheden meestal als iets ongewenst, maar in dit geval onze cel zou niet werken zonder hen. Beschouw silicium met hier en daar een atoom fosfor, misschien één voor elke miljoen siliciumatomen. Fosfor heeft vijf elektronen in de buitenste schil, niet vier. Het bindt zich nog steeds met zijn siliciumbuuratomen, maar in zekere zin de fosfor heeft één elektron dat niemand heeft om handen mee vast te houden. Het maakt geen deel uit van een band, maar er is een positief proton in de fosforkern die het op zijn plaats houdt.

Wanneer energie wordt toegevoegd aan puur silicium, bijvoorbeeld in de vorm van warmte het kan ervoor zorgen dat een paar elektronen loskomen van hun bindingen en hun atomen verlaten. Er blijft telkens een gaatje achter. Deze elektronen, genaamd gratis vervoerders , dwaal dan willekeurig rond het kristalrooster op zoek naar een ander gat om in te vallen en een elektrische stroom te voeren. Echter, er zijn er zo weinig in puur silicium, dat ze niet erg handig zijn.

Maar ons onzuivere silicium met daarin vermengde fosforatomen is een ander verhaal. Het kost veel minder energie om een ​​van onze "extra" fosforelektronen los te maken, omdat ze niet gebonden zijn aan naburige atomen. Als resultaat, de meeste van deze elektronen breken los, en we hebben veel meer gratis dragers dan we zouden hebben in puur silicium. Het proces van het expres toevoegen van onzuiverheden wordt genoemd doping , en wanneer gedoteerd met fosfor, het resulterende silicium heet N-type ("n" voor negatief) vanwege de prevalentie van vrije elektronen. N-type gedoteerd silicium is een veel betere geleider dan puur silicium.

Het andere deel van een typische zonnecel is gedoteerd met het element boor, die slechts drie elektronen in zijn buitenste schil heeft in plaats van vier, om P-type silicium te worden. In plaats van vrije elektronen te hebben, P-type ("p" voor positief) heeft vrije openingen en draagt ​​de tegenovergestelde (positieve) lading.

Op de volgende pagina, we zullen nader bekijken wat er gebeurt als deze twee stoffen op elkaar inwerken.

Anatomie van een zonnecel

Voor nu, onze twee afzonderlijke stukken silicium waren elektrisch neutraal; het interessante deel begint wanneer je ze samenvoegt. Dat komt omdat zonder een elektrisch veld , de cel zou niet werken; het veld vormt zich wanneer het N-type en P-type silicium in contact komen. Plotseling, de vrije elektronen aan de N-kant zien alle openingen aan de P-kant, en er is een waanzinnige haast om ze te vullen. Vullen alle vrije elektronen alle vrije gaten? Nee. Als ze dat wel deden, dan zou de hele regeling niet erg nuttig zijn. Echter, rechts bij de knooppunt , ze vermengen zich en vormen een soort barrière, waardoor het voor elektronen aan de N-kant steeds moeilijker wordt om over te steken naar de P-kant. Eventueel, evenwicht is bereikt, en we hebben een elektrisch veld dat de twee kanten scheidt.

Dit elektrische veld werkt als een diode , elektronen van de P-kant naar de N-kant laten stromen (en zelfs duwen), maar niet andersom. Het is als een heuvel -- elektronen kunnen gemakkelijk de heuvel afdalen (naar de N-kant), maar kan er niet op klimmen (naar de P-kant).

wanneer licht, in de vorm van fotonen, raakt onze zonnecel, zijn energie breekt elektron-gatparen uit elkaar. Elk foton met voldoende energie zal normaal gesproken precies één elektron vrijmaken, resulterend in een vrij gat ook. Als dit dicht genoeg bij het elektrische veld gebeurt, of als een vrij elektron en een vrij gat in hun invloedsgebied terechtkomen, het veld stuurt het elektron naar de N-kant en het gat naar de P-kant. Dit veroorzaakt een verdere verstoring van de elektrische neutraliteit, en als we een extern stroompad bieden, elektronen zullen door het pad naar de P-kant stromen om zich te verenigen met gaten die het elektrische veld daarheen heeft gestuurd, onderweg voor ons werken. De elektronenstroom zorgt voor de huidig , en het elektrische veld van de cel veroorzaakt a Spanning . Met zowel stroom als spanning, wij hebben stroom , dat is het product van de twee.

Er zijn nog een paar componenten over voordat we onze cel echt kunnen gebruiken. Silicium is een zeer glanzend materiaal, die fotonen kan wegkaatsen voordat ze hun werk hebben gedaan, dus

een Anti-reflecterende coating wordt toegepast om die verliezen te verminderen. De laatste stap is om iets te installeren dat de cel tegen de elementen zal beschermen -- vaak a glazen afdekplaat . PV-modules worden over het algemeen gemaakt door verschillende afzonderlijke cellen met elkaar te verbinden om bruikbare niveaus van spanning en stroom te bereiken, en ze in een stevig frame te plaatsen, compleet met positieve en negatieve terminals.

Hoeveel zonne-energie absorbeert onze PV-cel? Helaas, waarschijnlijk niet veel. In 2006, bijvoorbeeld, de meeste zonnepanelen bereikten slechts een rendement van ongeveer 12 tot 18 procent. Het meest geavanceerde zonnepaneelsysteem van dat jaar baande zich eindelijk een weg over de al lang bestaande 40 procent barrière in zonne-efficiëntie van de industrie - met 40,7 procent [bron:U.S. Department of Energy]. Dus waarom is het zo'n uitdaging om het meeste uit een zonnige dag te halen?

Energieverlies in een zonnecel

De bekende aanblik van een regenboog vertegenwoordigt slechts een stukje van het grotere elektromagnetische spectrum. ©iStockphoto.com/nataq

Zichtbaar licht is slechts een deel van het elektromagnetische spectrum. Elektromagnetische straling is niet monochromatisch -- het bestaat uit een reeks verschillende golflengten, en dus energieniveaus. (Zie Hoe licht werkt voor een goede bespreking van het elektromagnetische spectrum.)

Licht kan worden opgedeeld in verschillende golflengten, die we kunnen zien in de vorm van een regenboog. Aangezien het licht dat onze cel raakt fotonen heeft met een breed scala aan energieën, het blijkt dat sommigen van hen niet genoeg energie hebben om een ​​elektron-gatpaar te veranderen. Ze gaan gewoon door de cel alsof deze transparant is. Weer andere fotonen hebben te veel energie. Slechts een bepaalde hoeveelheid energie, gemeten in elektronvolt (eV) en gedefinieerd door ons celmateriaal (ongeveer 1,1 eV voor kristallijn silicium), is nodig om een ​​elektron los te slaan. We noemen dit de band gap energie van een materiaal. Als een foton meer energie heeft dan de benodigde hoeveelheid, dan gaat de extra energie verloren. (Dat is, tenzij een foton twee keer de benodigde energie heeft, en kan meer dan één elektron-gatpaar creëren, maar dit effect is niet significant.) Deze twee effecten alleen kunnen het verlies van ongeveer 70 procent van de stralingsenergie die op onze cel valt, verklaren.

Waarom kunnen we geen materiaal kiezen met een erg lage band gap, zodat we meer van de fotonen kunnen gebruiken? Helaas, onze band gap bepaalt ook de sterkte (spanning) van ons elektrisch veld, en als het te laag is, wat we dan goedmaken in extra stroom (door meer fotonen te absorberen), we verliezen door een kleine spanning te hebben. Onthoud dat vermogen spanning maal stroom is. De optimale bandgap, balanceren van deze twee effecten, is in de buurt 1.4 eV voor een cel gemaakt van een enkel materiaal.

We hebben ook andere verliezen. Onze elektronen moeten via een extern circuit van de ene kant van de cel naar de andere stromen. We kunnen de bodem bedekken met een metaal, zorgt voor een goede geleiding, maar als we de bovenkant helemaal bedekken, dan kunnen fotonen niet door de ondoorzichtige geleider en verliezen we al onze stroom (in sommige cellen, transparante geleiders worden gebruikt op het bovenoppervlak, maar niet in het geheel). Als we onze contacten alleen aan de zijkanten van onze cel plaatsen, dan moeten de elektronen een extreem lange afstand afleggen om de contacten te bereiken. Onthouden, silicium is een halfgeleider -- het is lang niet zo goed als een metaal voor het transporteren van stroom. De interne weerstand (genaamd serieweerstand: ) is vrij hoog, en hoge weerstand betekent hoge verliezen. Om deze verliezen te minimaliseren, cellen worden meestal bedekt door een metalen contactraster dat de afstand die elektronen moeten afleggen, verkort terwijl het slechts een klein deel van het celoppervlak bedekt. Toch, sommige fotonen worden tegengehouden door het raster, die niet te klein kan zijn, anders is de eigen weerstand te hoog.

Nu we weten hoe een zonnecel werkt, laten we eens kijken wat er nodig is om een ​​huis van stroom te voorzien met de technologie.

Een huis op zonne-energie

Net zoals bloemen het best op de stralende zon gericht zijn, zo ook zonnepanelen. ©iStockphoto.com/AndreasWeber

Wat moet je doen om je huis van zonne-energie te voorzien? Hoewel het niet zo simpel is als gewoon wat modules op je dak slaan, het is niet extreem moeilijk om te doen, of.

Allereerst, niet elk dak heeft de juiste oriëntatie of hellingshoek om optimaal te profiteren van de energie van de zon. Niet-volgende PV-systemen op het noordelijk halfrond zouden idealiter naar het echte zuiden moeten wijzen, hoewel oriëntaties die in meer oostelijke en westelijke richtingen gericht zijn, ook kunnen werken, zij het door in verschillende mate van efficiëntie op te offeren. Zonnepanelen moeten ook onder een hoek zo dicht mogelijk bij de breedtegraad van het gebied worden geplaatst om het hele jaar door de maximale hoeveelheid energie te absorberen. Een andere oriëntatie en/of helling kan worden gebruikt als u de energieproductie voor de ochtend of middag wilt maximaliseren, en/of de zomer of winter. Natuurlijk, de modules mogen nooit worden overschaduwd door nabijgelegen bomen of gebouwen, ongeacht de tijd van de dag of de tijd van het jaar. In een PV-module, als zelfs maar één van zijn cellen in de schaduw staat, energieproductie aanzienlijk kan worden verminderd.

Als u een huis heeft met een schaduwrijke, dak op het zuiden, u moet beslissen welk maatsysteem u nodig heeft. Dit wordt bemoeilijkt door het feit dat uw elektriciteitsproductie afhankelijk is van het weer, die nooit helemaal voorspelbaar is, en dat uw elektriciteitsvraag ook zal variëren. Gelukkig, deze hindernissen zijn vrij eenvoudig te verwijderen. Meteorologische gegevens geven gemiddelde maandelijkse zonlichtniveaus voor verschillende geografische gebieden. Hierbij wordt rekening gehouden met regen en bewolkte dagen, evenals hoogte, vochtigheid en andere, meer subtiele factoren. Je moet ontwerpen voor de slechtste maand, zodat u het hele jaar door genoeg stroom heeft. Met die gegevens en uw gemiddelde huishoudelijke vraag (uw energierekening laat u gemakkelijk weten hoeveel energie u elke maand gebruikt), er zijn eenvoudige methoden die u kunt gebruiken om te bepalen hoeveel PV-modules u precies nodig heeft. U moet ook beslissen over een systeemspanning, die u kunt regelen door te beslissen hoeveel modules in serie moeten worden geschakeld.

Je hebt misschien al een aantal problemen geraden die we moeten oplossen. Eerst, wat doen we als de zon niet schijnt?

Problemen met zonne-energie oplossen

De gedachte om te leven volgens de grillen van de weerman maakt de meeste mensen waarschijnlijk niet enthousiast, maar drie hoofdopties kunnen ervoor zorgen dat je nog steeds stroom hebt, zelfs als de zon niet meewerkt. Als je volledig off-the-grid wilt leven, maar vertrouw niet op uw PV-panelen om alle elektriciteit te leveren die u in een mum van tijd nodig hebt, u kunt een back-upgenerator gebruiken wanneer de zonne-energie opraakt. Het tweede stand-alone systeem betreft energieopslag in de vorm van batterijen. Helaas, batterijen kunnen veel kosten en onderhoud toevoegen aan een PV-systeem, maar het is momenteel een noodzaak als je volledig onafhankelijk wilt zijn.

Het alternatief is om uw huis aan te sluiten op het openbare stroomnet, macht kopen wanneer je die nodig hebt en terug verkopen als je meer produceert dan je gebruikt. Op deze manier, het hulpprogramma fungeert als een praktisch oneindig opslagsysteem. Houd er wel rekening mee, overheidsvoorschriften variëren afhankelijk van de locatie en kunnen worden gewijzigd. Uw plaatselijke nutsbedrijf kan al dan niet verplicht zijn om deel te nemen, en de terugkoopprijs kan sterk variëren. U hebt waarschijnlijk ook speciale apparatuur nodig om ervoor te zorgen dat de stroom die u aan het nutsbedrijf wilt verkopen, compatibel is met die van henzelf. Veiligheid is ook een issue. Het hulpprogramma moet ervoor zorgen dat als er een stroomstoring is in uw buurt, uw PV-systeem zal geen elektriciteit blijven leveren aan hoogspanningslijnen waarvan een lijnwachter denkt dat ze dood zijn. Dit is een gevaarlijke situatie genaamd eilandbewoning , maar het kan worden vermeden met een anti-islanding omvormer -- iets waar we op de volgende pagina op in zullen gaan.

Als u besluit om in plaats daarvan batterijen te gebruiken, houd er rekening mee dat ze moeten worden onderhouden, en na een bepaald aantal jaren vervangen. De meeste zonnepanelen hebben de neiging om ongeveer 30 jaar mee te gaan (en een verbeterde levensduur is zeker een onderzoeksdoel), maar batterijen hebben gewoon niet zo'n levensduur [bron:National Renewable Energy Laboratory]. Batterijen in PV-systemen kunnen ook erg gevaarlijk zijn vanwege de energie die ze opslaan en de zure elektrolyten die ze bevatten, dus je hebt een goed geventileerde, niet-metalen behuizing voor hen.

Hoewel er vaak verschillende soorten batterijen worden gebruikt, het enige kenmerk dat ze allemaal gemeen zouden moeten hebben, is dat ze deep-cycle batterijen . In tegenstelling tot uw auto-accu, dat is een ondiepe-cyclus batterij, deep-cycle batterijen kunnen meer van hun opgeslagen energie ontladen terwijl ze toch een lange levensduur behouden. Autobatterijen ontladen gedurende een zeer korte tijd een grote stroom - om uw auto te starten - en worden dan onmiddellijk opgeladen terwijl u rijdt. PV-batterijen moeten over het algemeen voor een langere periode een kleinere stroom ontladen (zoals 's nachts of tijdens een stroomstoring), terwijl ze overdag worden opgeladen. De meest gebruikte deep-cycle batterijen zijn: loodzuur batterijen (zowel verzegeld als geventileerd) en nikkel-cadmium batterijen , die beide verschillende voor- en nadelen hebben.

Op de volgende pagina, we zullen wat dieper ingaan op de componenten die de zon nodig heeft om u wat geld te besparen.

Uw installatie voor zonne-energie voltooien

Dit eenvoudige schema laat zien hoe een residentieel PV-systeem vaak vorm krijgt. HowStuffWorks 2000

Het gebruik van batterijen vereist de installatie van een ander onderdeel genaamd a laadregelaar . Batterijen gaan veel langer mee als ze niet te veel worden opgeladen of leeglopen. Dat is wat een laadregelaar doet. Zodra de batterijen volledig zijn opgeladen, de laadregelaar laat geen stroom van de PV-modules erin blijven stromen. evenzo, zodra de batterijen leeg zijn tot een bepaald vooraf bepaald niveau, gecontroleerd door het meten van de batterijspanning, veel laadregelaars laten niet toe dat er meer stroom uit de accu's wordt afgevoerd totdat ze zijn opgeladen. Het gebruik van een laadregelaar is essentieel voor een lange levensduur van de batterij.

Het andere probleem naast energieopslag is dat de elektriciteit die door uw zonnepanelen wordt opgewekt, en uit uw batterijen gehaald als u ervoor kiest om ze te gebruiken, is niet in de vorm die wordt geleverd door uw nutsbedrijf of wordt gebruikt door de elektrische apparaten in uw huis. De elektriciteit die door een zonnestelsel wordt opgewekt, is gelijkstroom, dus je hebt een nodig omvormer om deze om te zetten in wisselstroom. En zoals we op de laatste pagina bespraken, afgezien van het omschakelen van DC naar AC, sommige omvormers zijn ook ontworpen om te beschermen tegen eilandvorming als uw systeem is aangesloten op het elektriciteitsnet.

Bij de meeste grote omvormers kunt u automatisch bepalen hoe uw systeem werkt. Sommige PV-modules, genaamd AC-modules , in feite al een omvormer in elke module hebben ingebouwd, waardoor de noodzaak van een grote, centrale omvormer, en het vereenvoudigen van bedradingsproblemen.

Gooi in de montage hardware, bedrading, verdeeldozen, aardingsapparatuur, overstroombeveiliging, DC- en AC-onderbrekers en andere accessoires, en je hebt zelf een systeem. U moet de elektrische codes volgen (er is een sectie in de National Electrical Code alleen voor PV), en het wordt ten zeerste aanbevolen dat een erkende elektricien die ervaring heeft met PV-systemen de installatie uitvoert. Eenmaal geïnstalleerd, een PV-systeem heeft zeer weinig onderhoud nodig (vooral als er geen batterijen worden gebruikt), en zal 20 jaar of langer schoon en stil elektriciteit leveren.

Ontwikkelingen in zonneceltechnologie

Zonnecellen zijn lange tijd een steunpilaar geweest op satellieten; waar komen ze in de toekomst terecht? ©iStockphoto.com/iLexx

We hebben veel gesproken over hoe een typisch PV-systeem werkt, maar kwesties met betrekking tot kosteneffectiviteit (waar we op de volgende pagina meer op zullen ingaan) hebben geleid tot eindeloze onderzoeksinspanningen gericht op het ontwikkelen en verfijnen van nieuwe manieren om zonne-energie steeds concurrerender te maken met traditionele energiebronnen.

Bijvoorbeeld, monokristallijn silicium is niet het enige materiaal dat in PV-cellen wordt gebruikt. Polykristallijn silicium wordt gebruikt in een poging om de productiekosten te verlagen, hoewel de resulterende cellen niet zo efficiënt zijn als monokristallijn silicium. Zonneceltechnologie van de tweede generatie bestaat uit wat bekend staat als dunne film zonnecellen . Hoewel ze ook de neiging hebben om wat efficiëntie op te offeren, ze zijn eenvoudiger en goedkoper te produceren -- en ze worden steeds efficiënter. Dunne-film zonnecellen kunnen gemaakt worden van verschillende materialen, inclusief amorf silicium (dat geen kristallijne structuur heeft), galliumarsenide, koper indium diselenide en cadmium telluride.

Een andere strategie om de efficiëntie te verhogen, is het gebruik van twee of meer lagen van verschillende materialen met verschillende bandafstanden. Onthoud dat, afhankelijk van de stof, fotonen van verschillende energieën worden geabsorbeerd. Dus door materiaal met een hogere bandgap op het oppervlak te stapelen om fotonen met hoge energie te absorberen (terwijl fotonen met lagere energie worden geabsorbeerd door het materiaal met de lagere bandgap eronder), veel hogere efficiëntie kan resulteren. zulke cellen, genaamd multi-junctie cellen , kan meer dan één elektrisch veld hebben.

Fotovoltaïsche technologie concentreren is een ander veelbelovend ontwikkelingsgebied. In plaats van simpelweg een deel van het zonlicht te verzamelen en om te zetten dat toevallig naar beneden schijnt en wordt omgezet in elektriciteit, concentrerende PV-systemen gebruiken de toevoeging van optische apparatuur zoals lenzen en spiegels om grotere hoeveelheden zonne-energie op zeer efficiënte zonnecellen te concentreren. Hoewel deze systemen over het algemeen duurder zijn om te produceren, ze hebben een aantal voordelen ten opzichte van conventionele zonnepaneelopstellingen en moedigen verdere onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen aan.

Al deze verschillende versies van zonneceltechnologie zorgen ervoor dat bedrijven toepassingen en producten bedenken die het hele gamma omvatten, van op zonne-energie aangedreven vliegtuigen en ruimtecentrales tot meer alledaagse voorwerpen zoals PV-aangedreven gordijnen, kleding en laptoptassen. Zelfs de miniatuurwereld van nanodeeltjes wordt niet weggelaten, en onderzoekers onderzoeken zelfs het potentieel voor biologisch geproduceerde zonnecellen.

Maar als fotovoltaïsche energie zo'n geweldige bron van gratis energie is, waarom draait dan niet de hele wereld op zonne-energie?

Zonne-energiekosten

Zonnecellen zijn misschien nog wat prijzig, maar ze worden elk jaar goedkoper. ©iStockphoto.com/acilo

Sommige mensen hebben een gebrekkig concept van zonne-energie. Hoewel het waar is dat zonlicht gratis is, de elektriciteit opgewekt door PV-systemen is dat niet. Er zijn veel factoren die bepalen of het installeren van een PV-systeem de prijs waard is.

Eerst, er is de vraag waar je woont. Mensen die in zonnige delen van de wereld wonen, beginnen met een groter voordeel dan degenen die zich vestigen op minder zonovergoten locaties, omdat hun PV-systemen over het algemeen meer elektriciteit kunnen opwekken. De kosten van nutsvoorzieningen in een gebied moeten daarbovenop worden meegerekend. Elektriciteitstarieven variëren sterk van plaats tot plaats, dus iemand die verder naar het noorden woont, wil misschien nog steeds overwegen om op zonne-energie te gaan als hun tarieven bijzonder hoog zijn.

Volgende, daar zijn de installatiekosten; zoals je waarschijnlijk hebt gemerkt bij onze bespreking van een huishoudelijk PV-systeem, er is nogal wat hardware nodig. vanaf 2009 een opstelling van een residentiële zonnepaneel kostte gemiddeld ergens tussen $ 8 en $ 10 per watt om te installeren [bron:National Renewable Energy Laboratory]. Hoe groter het systeem, hoe minder het doorgaans per watt kost. Het is ook belangrijk om te onthouden dat veel zonne-energiesystemen de elektriciteitsbelasting niet 100 procent van de tijd volledig dekken. Kansen zijn, je hebt nog steeds een energierekening, al zal het zeker lager zijn dan wanneer er geen zonnepanelen zouden zijn.

Ondanks de stickerprijs, er zijn verschillende mogelijke manieren om de kosten van een PV-systeem te dekken voor zowel bewoners als bedrijven die willen upgraden en overstappen op zonne-energie. Deze kunnen komen in de vorm van federale en staatsbelastingprikkels, kortingen voor nutsbedrijven en andere financieringsmogelijkheden. Plus, afhankelijk van hoe groot de opstelling van het zonnepaneel is - en hoe goed het presteert - zou het zichzelf sneller kunnen terugbetalen door af en toe een overschot aan stroom te creëren. Eindelijk, het is ook belangrijk om rekening te houden met schattingen van de woningwaarde. Het installeren van een PV-systeem zal naar verwachting duizenden dollars toevoegen aan de waarde van een huis.

Direct, zonne-energie heeft nog steeds moeite om te concurreren met de nutsbedrijven, maar de kosten dalen naarmate onderzoek de technologie verbetert. Voorstanders zijn ervan overtuigd dat PV op een dag kosteneffectief zal zijn in zowel stedelijke als afgelegen gebieden. Een deel van het probleem is dat de productie op grote schaal moet gebeuren om de kosten zo laag mogelijk te houden. Dat soort vraag naar PV, echter, zal niet bestaan ​​totdat de prijzen tot een concurrerend niveau zijn gedaald. Het is een catch-22. Toch, aangezien de vraag en de module-efficiëntie constant stijgen, prijzen dalen, en de wereld wordt zich steeds meer bewust van de milieuproblemen die verband houden met conventionele energiebronnen, het is waarschijnlijk dat fotovoltaïsche energie een veelbelovende toekomst zal hebben.

Voor meer informatie over zonnecellen en aanverwante onderwerpen, bekijk de links op de volgende pagina.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Zonnecel Quiz
  • Hoe thermische zonne-energie werkt
  • Zijn auto's op zonne-energie nog een mogelijkheid?
  • Kunnen luminescente zonneconcentratoren zonne-energie betaalbaarder maken?
  • Hoe geothermische energie werkt
  • Hoe batterijen werken
  • Hoe circuits werken
  • Hoe halfgeleiders werken
  • Hoe een microgrid werkt
  • Hoe elektriciteitsnetten werken
  • Top 5 gadgets op zonne-energie
  • Waarom is het zo moeilijk om de afhankelijkheid van benzine te verminderen?

Meer geweldige links

  • Noord-Carolina Zonnecentrum
  • FSEC:fotovoltaïsche energie en gedistribueerde opwekking
  • Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie
  • Zonne-energie aan de Australian National University
  • Hulpmiddelen en rekenmachine op zonne-energie
  • TreeHugger:zonne-energie

bronnen

  • "Over zonne-energie en zonne-energiesystemen." Zonne-energie.org. (1/21/2010) http://www.solar-estimate.org/index.php?page=solar-energy-systems
  • Beckman, William A. en Duffie, John A. "Zonne-engineering van thermische processen 2e ed." John Wiley en zonen, Inc. 1991.
  • beller, Pieter. "De toekomst van Solar verduistert een beetje." Forbes. 15 januari 2010. (1/21/2010) http://www.forbes.com/2010/01/15/solar-power-subsidy-markets-equities-germany.html?boxes=marketschannelequities
  • Biello, David. "Waarom niet 21 miljard dollar uitgeven aan zonne-energie vanuit de ruimte?" Wetenschappelijke Amerikaan. 2 september 2009. (1/21/2010) http://www.scientificamerican.com/blog/post.cfm?id=why-not-spend-21-billion-on-solar-p-2009-09-02
  • zwart, Ken. "Wat is een zonnebatterij?" Wijsneus. (1/21/2010) http://www.wisegeek.com/what-is-a-solar-battery.htm
  • flauw, Erik. "Tabaksplanten aangeboord om zonnecellen te laten groeien." Ontdekkingsnieuws. 25 januari 2010. (1/25/2010) http://news.discovery.com/tech/tobacco-plants-solar-cells.html
  • schat, Damon. "Financieel, Zonne-energie voor thuis is een moeilijke verkoop." New York Times. 14 april, 2007. (1/25/2010) http://www.nytimes.com/2007/04/14/business/14money.html
  • "Zonnecellen verbeteren met nanodeeltjes." WetenschapDagelijks. 26 december 2008. (1/25/2010) http://www.sciencedaily.com/releases/2008/12/081223172705.htm
  • "Snelle zonne-energiefeiten." SolarBuzz.com. (1/21/2010) http://www.solarbuzz.com/Consumer/FastFacts.htm
  • "Verklarende woordenlijst met termen voor zonne-energie." Zonne-energie.org. (1/21/2010) http://www.solar-estimate.org/index.php?page=glossary
  • Goedenavond, Chris. "Hoe lang gaan zonnepanelen mee?" burger. 5 augustus 2009. (1/21/2010) http://scitizen.com/future-energies/how-long-do-solar-panels-last-_a-14-2897.html
  • "'Grapefruit Satellite' ter gelegenheid van 45 jaar in de ruimte." Marine onderzoekslaboratorium. 12 maart, 2003. (1/25/2010) http://sse.jpl.nasa.gov/news/display.cfm?News_ID=4759
  • "Hoe een fotovoltaïsch systeem werkt." Ameco. (1/21/2010) http://www.solarexpert.com/solar-electric-how-it-works.html
  • "Hoe zonnecellen werken." GE Energie. (1/20/2010) http://www.gepower.com/prod_serv/products/solar/en/how_solar_work.htm
  • Knier, Gil. "Hoe werken fotovoltaïsche energie?" Nasa. (1/20/2010) http://science.nasa.gov/headlines/y2002/solarcells.htm
  • Milton, Chris. "Het op zonne-energie aangedreven vliegtuig:het vliegt!" Wetenschappelijke Amerikaan. 7 december 2009. (1/21/2010) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=the-solar-powered-plane--it-flies-2009-12
  • Montoya, Randy. "Vooruitgang in zonne-energienetwerken." Populaire mechanica. September 2000. (1/20/2010) http://www.popularmechanics.com/science/research/1281986.html
  • National Center for Photovoltaic Research website. Het Nationaal Laboratorium voor Hernieuwbare Energie. (1/21/2010) http://www.nrel.gov/pv/ncpv.html
  • schip, C.R. "De PN Junction." Staatsuniversiteit van Georgië. (1/20/2010) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/pnjun.html
  • "Nieuwe generatie zonnecellen belooft efficiëntie." WetenschapDagelijks. 24 juli 2009. (1/21/2010) http://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090723201446.htm
  • "Nieuw wereldrecord bereikt in zonneceltechnologie." Amerikaanse ministerie van Energie. 5 december 2006. (1/20/2010) http://www.energy.gov/print/4503.htm
  • Noufi, Rommel en Zweibel, Ken. "High-Efficiency CdTe en CIGS dunne-film zonnecellen:hoogtepunten en uitdagingen." Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie. September 2007. (1/21/2010) http://www.nrel.gov/docs/fy06osti/39894.pdf
  • "Own Your Own Power! A Consumer Guide to Solar Electricity for the Home." The National Renewable Energy Laboratory. January 2009. (1/21/2010) http://www.nrel.gov/docs/fy09osti/43844.pdf
  • Pandolfi, Keith. "Boost home value, get cheaper bills." This Old House. March 4, 2008. (1/25/2010) http://www.cnn.com/2008/LIVING/homestyle/03/04/solar.power/index.html
  • Pandolfi, Keith. "Solar Shingles." This Old House. (1/25/2010) http://www.thisoldhouse.com/toh/article/0, , 1205726, 00.html?partner=yes&xid=cnn-0208-solar-shingles
  • Pollick, Michaël. "How Do Solar Panels Work?" WiseGeek. 3 januari 2010. (1/20/2010) http://www.wisegeek.com/how-do-solar-panels-work.htm
  • Shahan, Zachary. "1st Solar-Powered Electric Vehicle (EV) Charging Station in NYC." Wetenschappelijke Amerikaan. 20 december 2009. (1/21/2010) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=1st-solar-powered-electric-vehicle-2009-12
  • "Solar Cell." Encyclopedie Britannica. (1/21/2010) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/552875/solar-cell
  • SolarPanelInfo.com Web site. (1/21/2010) http://www.solarpanelinfo.com/
  • "Solar Photovoltaic Technology." The National Renewable Energy Lab. 29 september 2009. (1/20/2010) http://www.nrel.gov/learning/re_photovoltaics.html
  • "Types of Solar Energy Systems." SolarBuzz.com. (1/21/2010) http://www.solarbuzz.com/Consumer/SolarSystem.htm
  • Welch, Willem. "Air Force embraces solar power." VS vandaag. April 18, 2007. (1/20/2010) http://www.usatoday.com/tech/science/2007-04-17-air-force-solar-power_N.htm
  • Whitney, Ryan. "Nellis activates nation's largest PV array." Nellis Air Force Base. (1/20/2010) http://www.nellis.af.mil/news/story.asp?id=123079933
  • Wright, Sara. "Getting wrapped up in solar textiles." MIT. 9 juni 2008. (1/21/2010) http://web.mit.edu/newsoffice/2008/solar-textiles-0609.html
  • Yago, Jeffrey. "The care and feeding of solar batteries." Backwoods Home Magazine. (1/21/2010) http://www.backwoodshome.com/articles2/yago95.html
  • Zweibel, Ken. "Harnessing Solar Power:The Photovoltaics Challenge." Plenum Press, New York and London. 1990.