Fotovoltaïsche cel

Fundamenteel voor duurzame energieopwekking zijn deze cellen de kern van elk zonnepaneel. Ze bestaan voornamelijk uit halfgeleidermaterialen, silicium voorop. Wanneer zonlicht – oftewel fotonen – op zo’n cel botst, worden elektronen losgestoten; dit creëert een elektrische stroom. Die opgewekte stroom is echter gelijkstroom en vereist vrijwel altijd een omvormer om deze te transformeren naar de wisselstroom (AC) die we in gebouwen gebruiken of die aan het net teruggeleverd wordt. Zonder die conversie is de elektriciteit immers onbruikbaar voor de meeste reguliere toepassingen in de bouw.

De wereld van fotovoltaïsche cellen, of simpelweg zonnecellen, is dynamisch, voortdurend in ontwikkeling. Hoewel de basiswerking gelijk blijft, zijn er verschillende typen die zich onderscheiden in efficiëntie, productiekosten, esthetiek en toepassing. Grofweg kunnen we een onderscheid maken tussen cellen op basis van kristallijn silicium en de dunnere filmtechnologieën. Deze keuze heeft een directe impact op de prestaties en de economische haalbaarheid van een zonne-energiesysteem. Binnen het segment van kristallijn silicium domineren primair twee varianten: monokristallijne en polykristallijne zonnecellen. Monokristallijne cellen zijn vervaardigd uit één enkel siliciumkristal, wat hun kenmerkende uniforme, donkere (vaak bijna zwarte) uiterlijk en in oudere panelen de afgeronde hoeken verklaart. Deze eenduidige kristalstructuur resulteert doorgaans in een hogere efficiëntie bij het omzetten van zonlicht naar elektriciteit. Polykristallijne cellen daarentegen bestaan uit meerdere samengesmolten siliciumkristallen. Dit leidt tot een herkenbaar, vaak blauw en gevlekt patroon, en een iets lagere efficiëntie. Historisch gezien waren ze echter goedkoper te produceren. Een belangrijke evolutie hierin zijn verfijningen zoals PERC (Passivated Emitter Rear Cell) technologieën en de opkomst van N-type cellen. Dit zijn geen nieuwe basismaterialen, maar innovaties in de celstructuur van zowel mono- als polykristallijne varianten, specifiek ontworpen om de efficiëntie verder te verhogen en degradatie te minimaliseren. N-type siliciumcellen winnen terrein, mede door hun superieure prestaties onder hogere temperaturen en minder ideale lichtomstandigheden. Naast de siliciumvarianten bestaan er dunnefilm zonnecellen. Deze worden niet gemaakt van relatief dikke wafers, maar door extreem dunne lagen halfgeleidend materiaal direct op een substraat aan te brengen. Materialen zoals amorf silicium (a-Si), cadmiumtelluride (CdTe) of koper-indium-galliumselenide (CIGS) zijn hier gangbaar. Hun efficiëntie ligt vaak lager dan die van de kristallijne siliciumcellen, maar ze bieden alternatieve voordelen: ze kunnen flexibeler zijn, lichter van gewicht en presteren soms beter bij diffuus licht. Dergelijke cellen vinden bijvoorbeeld toepassing in esthetisch geïntegreerde geveloplossingen, bepaalde dakmaterialen, of daar waar flexibiliteit vereist is. Hoewel de productie minder grondstofintensief kan zijn, vereisen sommige materialen in deze categorie specifieke aandacht voor hun levenscyclus en recycling.

De fotovoltaïsche cel is, gezien haar veelzijdigheid, op talloze plekken te vinden. Denk aan het alledaagse: op een plat dak van een bedrijfspand transformeren ze zonlicht direct naar bruikbare stroom, essentieel voor de bedrijfsvoering. Maar het gaat verder dan de geijkte daksystemen.

Neem bijvoorbeeld de geïntegreerde zonnepanelen, waar de PV-cellen onzichtbaar verwerkt zitten in dakpannen, leien of zelfs gevelbekleding. Zo behoudt een gebouw haar esthetiek terwijl het tegelijkertijd energie opwekt. Of wat te denken van de mobiele toepassingen: een laadpaal voor elektrische fietsen in een afgelegen natuurgebied, waar geen netwerkaansluiting voorhanden is, krijgt zijn energie veelal rechtstreeks van een naastgelegen zonnecelopstelling. Zelfs in de infrastructuur, bij dynamische verkeersborden langs de snelweg of bij bewakingscamera’s op bouwplaatsen zonder permanente stroomvoorziening, zijn deze cellen onmisbaar. Een kleine cel met een groot effect, die overal stroom kan genereren waar licht is, zonder afhankelijkheid van een vast netwerk.

Hoewel de fotovoltaïsche cel op zichzelf een component betreft, valt de toepassing ervan in zonnepanelen en complete systemen wel degelijk onder diverse wetten en normen. Deze regelgeving waarborgt met name veiligheid, installatiekwaliteit en milieubescherming gedurende de levenscyclus. De conformiteit wordt hiermee geborgd. Het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL) is een centrale pijler. Dit besluit stelt eisen aan onder meer de constructieve veiligheid van gebouwen en de brandveiligheid. Een zonnepaneelsysteem, opgebouwd uit PV-cellen, moet voldoen aan de eisen die het BBL stelt aan de draagconstructie van het dak en de brandwerendheid van materialen. Evenzo zijn er bepalingen die de energieprestatie van gebouwen betreffen, waar zonne-energie een significante rol kan spelen. Voor de elektrische installatie zijn de NEN 1010 en de NEN EN IEC 62446 van groot belang. De NEN 1010 beschrijft de veiligheidsbepalingen voor laagspanningsinstallaties; dit omvat de bekabeling, omvormers en de aansluiting op de meterkast. De NEN EN IEC 62446 richt zich specifiek op fotovoltaïsche systemen, met richtlijnen voor documentatie, inbedrijfstellingstests en inspectie. Deze normen zijn cruciaal om een veilige en correct functionerende elektrische installatie te garanderen, vanaf de DC-zijde van de panelen tot aan de aansluiting op het lichtnet. Ten slotte zijn er Europese richtlijnen, zoals die met betrekking tot de afvalverwerking van elektrische en elektronische apparatuur (WEEE-richtlijn), die in Nederland via specifieke wetgeving zijn geïmplementeerd. Dit waarborgt dat afgedankte zonnepanelen, en daarmee de daarin verwerkte fotovoltaïsche cellen, op een verantwoorde wijze worden ingezameld en gerecycled, om zo de impact op het milieu te minimaliseren.

Het fundament voor wat we nu een fotovoltaïsche cel noemen, werd reeds in 1839 gelegd. Toen ontdekte de Franse natuurkundige Edmond Becquerel het fotovoltaïsche effect: bepaalde materialen genereren een elektrische stroom wanneer ze aan licht worden blootgesteld. Dit inzicht, hoewel revolutionair, resulteerde niet direct in praktische toepassingen voor stroomopwekking. Een eerste, zij het inefficiënte, zonnecel van selenium zag het licht in 1883, gecreëerd door Charles Fritts.

De ware doorbraak, een cruciale sprong voorwaarts, kwam echter pas in 1954. Bij Bell Labs ontwikkelden Chapin, Fuller en Pearson de eerste werkende siliciumzonnecel, veel efficiënter dan alles wat ervoor kwam; plotseling was er een reële mogelijkheid voor stroomopwekking uit zonlicht. Decennialang bleef de toepassing vrijwel exclusief voorbehouden aan de ruimtevaart, denk aan satellieten waar geen andere energiebron voorhanden was. De hoge productiekosten maakten commerciële, aardse inzet onhaalbaar.

Pas met de energiecrisissen van de jaren zeventig kwam er serieuze aandacht voor grootschalige, aardse toepassingen. Dit luidde een periode in van versnelde ontwikkeling. Er was behoefte aan alternatieven, dus de focus verschoof naar het verlagen van productiekosten, het verhogen van de efficiëntie en het verkennen van nieuwe materialen. De introductie van polykristallijne cellen maakte de technologie betaalbaarder, en later volgden de dunnefilmvarianten, elk met hun eigen specifieke voor- en nadelen voor integratie in de gebouwde omgeving. De voortdurende innovatie in celstructuren en materialen heeft de fotovoltaïsche cel getransformeerd van een exotisch ruimtevaartcomponent tot een alomtegenwoordig element in duurzame bouw.

• https://www.bobex.be/nl-be/zonnepanelen/zonnecellen/
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Fotovoltaïsche_cel
• https://www.nen.nl/energie/zonneenergie
• https://www.degroenekluis.nl/toepassingen/zonnepanelen/
• https://www.encyclo.nl/begrip/pv-cel
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Zonnepaneel
• https://emis.vito.be/nl/bbt/bbt-tools/selectiesystemen/afss/afvalstromen/fotovoltaische-pv-panelen
• https://energiris.coop/nl/wist-je-dat/comment-est-produite-lelectricite-avec-les-panneaux-photovoltaiques/