Door Chris Deziel | Bijgewerkt op 30 augustus 2022

Fotocredit:luchschen/iStock/GettyImages

Zonnepanelen zijn in wezen reeksen fotovoltaïsche cellen die zonlicht omzetten in elektriciteit. Hoewel commerciële panelen gebruik maken van gedoteerd silicium, is het zowel leerzaam als indrukwekkend om je eigen cellen te bouwen van alledaagse materialen. Met een stuk koper, een beetje zout water en een heldere fles kun je uit zonlicht een meetbare stroom opwekken. Wanneer je deze in serie combineert, kun je een batterij opladen of een lampje laten branden.

De wetenschap achter de kopercel

Toen Heinrich Hertz het foto-elektrische effect voor het eerst waarnam, werkte hij met metalen platen – vaak geoxideerd koper – omdat er nog geen siliciumwafels beschikbaar waren. Geoxideerd koper, met name koperoxide (Cu₂O), gedraagt ​​zich als een halfgeleider. Wanneer ze worden ondergedompeld in een elektrolyt en worden blootgesteld aan licht, worden elektronen opgewonden en stromen ze van het koper naar de omringende oplossing. Een schone koperen plaat dient als anode, terwijl de geoxideerde plaat als kathode fungeert, waardoor een spanningsverschil ontstaat dat stroom door een extern circuit stuurt.

De koperen plaat voorbereiden

Begin met ongeveer een halve vierkante meter koperen flitswerk, dat te vinden is bij de meeste bouwmarkten. Gebruik een blikschaar en knip het vel in twee gelijke stukken. Was beide stukken met water en zeep om vet en resten te verwijderen.

Plaats één vel op de brander van een elektrisch fornuis en zorg ervoor dat het het oppervlak bedekt. Zet de temperatuur op de hoogste stand en observeer de kleurverandering:eerst wordt het helderder en vervolgens donkerder naarmate er een dunne laag koperoxide (CuO) ontstaat. Laat het koper er zwart uitzien en blijf nog eens 30 minuten verwarmen. Zet het vuur uit en laat de plaat afkoelen op de brander.

Terwijl de plaat afkoelt, krimpen het koper- en koperoxide met verschillende snelheden, waardoor de zwarte coating gaat schilferen. Zodra de plaat volledig is afgekoeld, veegt u eventuele losse schilfers voorzichtig weg. Onder de afgebladderde laag bevindt zich een rode band van koperoxide:dit is de halfgeleidende laag die essentieel is voor de werking van de cel. Verwijder deze rode laag niet.

De cel in een fles assembleren

Gebruik een doorzichtige plastic fles van één liter als container. Snij de fles doormidden, verwijder de bovenkant en open de onderkant zodat er een ondiep bakje ontstaat. Buig de verwarmde koperen plaat in een halve cirkel en plaats deze in de fles, zodat deze tegen één kant rust, met de geoxideerde kant naar buiten gericht. Herhaal dit met de onverwarmde koperen plaat en plaats deze aan de andere kant. Zorg ervoor dat de platen elkaar niet raken.

Los in een apart glas twee eetlepels tafelzout op in ongeveer twee kopjes warm water. Giet de zoutoplossing in de fles en vul deze ongeveer ¾ vol. De bovenkant van de koperen platen moet boven de vloeistof blijven, zodat je krokodillenklemmen kunt bevestigen.

De cel testen

Neem de cel mee naar buiten en plaats deze op een vlak oppervlak, waarbij u de geoxideerde plaat in de richting van direct zonlicht richt. Sluit een multimeter aan op de platen met behulp van krokodillenklemmen. Stel de meter in op microampère (μA). In de volle zon moet de meter tussen de 33 µA en 50 µA registreren. Schakel de meter naar de spanningsmodus; u moet ongeveer 0,25 V aanhouden. Berekening van de maximale vermogensopbrengst:

P =V × I =0,25V × 0,00005A =0,0000125W, of 12,5 µW.

Cellen in serie aansluiten om de output te verhogen

Zonnepanelen zijn reeksen cellen die in serie zijn geschakeld, waardoor de spanning wordt opgeteld terwijl de stroom constant blijft. Om een ​​eenvoudige serie-array te bouwen, verbindt u de schone koperen plaat (anode) van de ene flescel met de geoxideerde plaat (kathode) van de volgende cel met een draad en krokodillenklemmen. Meet de spanning over de resterende twee vrije platen; de spanning zou moeten verdubbelen tot ongeveer 0,5 V. Elke extra cel in serie voegt nog eens 0,25 V toe. Door voldoende cellen aan elkaar te koppelen, kunt u de spanning of het vermogen bereiken die nodig is om een batterij op te laden of een kleine LED van stroom te voorzien.

Veiligheid en praktische tips

• Ga voorzichtig om met hete koperen platen om brandwonden te voorkomen.
• Gebruik geïsoleerde krokodillenklemmen om kortsluiting te voorkomen.
• Overweeg bij het opschalen het gebruik van een grotere container of een robuuster elektrolyt om de efficiëntie te verbeteren.