Fotovoltaïsche basisprincipes (Deel 1): Kennis van je zonnepanelen voor maximaal rendement

Elektriciteit uit de zon halen op de manier die het beste past bij je behoeften, vereist kennis van fotovoltaïsche technologieën en het juiste gebruik van de verschillende onderdelen van een systeem. In dit artikel - dat in twee delen wordt gepubliceerd - beginnen we met een overzicht van de structuur, de fysieke en elektrische eigenschappen van verschillende soorten panelen die op de markt verkrijgbaar zijn.

Van alle hernieuwbare energiebronnen is zonne-energie de energiebron die het dichtst bij ons staat, betaalbaar is en dusdanig schaalbaar is dat hij zowel op een mobiel apparaat als in uitgestrekte zonneparken kan worden gebruikt; het is geen toeval dat fotovoltaïsche energie zelfs op het niveau van kleine huishoudelijke installaties het meest wordt gestimuleerd.

Alleen al in de context van de individuele woning zagen de energiebeperkingen als gevolg van de leveringscrisis van 2022 het licht van regelgevende interventies ten gunste van de implementatie van “fotovoltaïsche balkoninstallaties”. Deze bestaan uit de installatie van slechts een paneel van 200...300 W op de balustrade, dat in combinatie met een omvormer een 230 V wisselstroombron kan vormen. Deze kan worden toegevoegd aan die van het elektriciteitsnet om de uitval te beperken of korte stroomstoringen op te vangen.

Bij offline gebruik, wat ook een optie is voor zo'n kleine zonne-energie-installatie, kan deze oplossing worden beschouwd als een variant van zogenaamde “stand-alone zonne-energie”. Dit is een systeem dat zelfs een vermogen van een paar kW kan hebben, maar dat onafhankelijk werkt en 230 V AC/50 Hz elektriciteit levert. Dit is te danken aan een omvormer die niet is gesynchroniseerd met de netfrequentie en niet rechtstreeks is aangesloten op het elektriciteitsnet van het huishouden.

Op deze pagina's geven we een overzicht van de onderdelen van een typisch zonne-energiesysteem, in de volgende aflevering komen we dan bij voorbeelden van stand-alone oplossingen die geïntegreerd kunnen worden met het elektriciteitsnet, zelfs met teruglevering aan het net.

Het zonnepaneel

In een systeem voor het opwekken van elektriciteit uit de zon is het belangrijkste element het fotovoltaïsche paneel of zonnepaneel, aangezien dit fysiek zonne-energie omzet in elektriciteit; de rest is pure elektronica, onderverdeeld in schakelmateriaal, acculader en omvormer.

De zon stuurt gemiddeld 1.367 W per m² naar de atmosfeer van de aarde, wat overeenkomt met meer dan 50 miljoen GW die aan onze planeet wordt geleverd: ongeveer 10.000 keer de behoeften van de gehele wereldbevolking. Het is daarom een kwestie van het maximale uit deze energie halen.

Hoeveel elektriciteit kan worden afgeleid van een zonne-energiesysteem, en onder welke omstandigheden, hangt strikt af van het zonnepaneel. Om deze reden is onderzoek voornamelijk gericht op drie doelen: het verbeteren van de conversie-efficiëntie (d.w.z. meer elektrische watts bij dezelfde straling), het vergroten van de bruikbare hoek om de zonnestralen op te vangen en het verhogen van de duurzaamheid van het paneel.

Een andere belangrijke factor is de productiekosten van zonnepanelen, waaruit de kosten van de geproduceerde elektriciteit voortkomen, die, hoewel het ook afhankelijk is van de efficiëntie, niet uitsluitend daarmee verband houdt.

Zeker, de huidige prijzen zijn concurrerend, wat, zonder rekening te houden met subsidies, de kosten per geproduceerde watt vergelijkbaar maakt met die van traditionele energiebronnen; in feite, als een decennium geleden de kosten van geïnstalleerd vermogen 5…6 €/W waren, zijn ze vandaag onder de 1 €/W gedaald.

Het fotovoltaïsche paneel zet de energie van de zonnestraling die op het oppervlak valt om in elektriciteit, dankzij de energie die het bezit, die direct evenredig is met de frequentie en omgekeerd evenredig is met de golflengte: dit betekent dat de energie van infrarood minder is dan die van ultraviolet bij dezelfde hoeveelheid straling.

In een zonnepaneel wordt elektrische energie verkregen door het fotovoltaïsch effect van elementaire structuren die fotovoltaïsche cellen worden genoemd; elke cel is een PN-junctie halfgeleiderdiode die zo is geconstrueerd dat de junctie is blootgesteld aan licht en ongepolariseerd is. In de PN-junctie is de P-zijde overvloedig voorzien van atomen van trivalente elementen en de N-zijde rijk aan pentavalente onzuiverheden; daarom heeft de junctie aan de P-zijde een tekort aan elektronen, die juist in overvloed aanwezig zijn aan de N-zijde.

Wanneer de fotonen die het licht vormen een PN-junctie treffen — meer specifiek het oppervlak van de trivalente dopeerregio (P) — veroorzaken ze een potentiaalverschil door het fotovoltaïsch effect, aangezien elk foton dat een doteringsatoom treft een elektron vrijmaakt, dat uit zijn binding komt en beschikbaar wordt voor geleiding. In fotovoltaïsche cellen kan licht de PN-junctie bereiken omdat de N-laag extreem dun is, zodat deze transparant is.

Als de junctie niet met iets is verbonden, recombineren de elektronen, waarbij hun energie vrijkomt in de vorm van warmte, maar als je de uiteinden van de junctie met een gebruiker verbindt, stromen de elektronen erdoorheen, wat resulteert in elektrische stroom, en vervolgens komen ze weer de junctie binnen aan de P-zijde en recombineren ze.

Het fotovoltaïsch effect kan worden waargenomen in het vierde kwadrant van de karakteristieke curve van de PN-junctie diode. Het fenomeen treedt op, mits de lichtstraling een golflengte heeft waarbij de energie van de fotonen voldoende is om de benodigde energie te overwinnen om de elektronen uit hun bindingen vrij te maken; deze energie is gelijk aan de zogenaamde extractiearbeid, gelijk aan het product h * f, waarbij h de constante van Planck is en f de frequentie.

Dit aspect is belangrijk voor de efficiëntie van zonnecellen, oftewel de efficiëntie van de omzetting van lichtenergie in elektriciteit; in feite gaat licht met een te korte golflengte verloren omdat het geen elektronen kan vrijmaken, terwijl licht waarvan de fotonen te veel energie bevatten, te veel energie overdraagt en de elektronen ontsnappen. (Opnieuw wordt alleen warmte geproduceerd.)

Hieronder beschrijven we de technieken die worden gebruikt voor de constructie van zonnepanelen, waarbij we de belangrijkste kenmerken samenvatten in Tabel 1.

Kristallijne panelen

Modules gebaseerd op fotovoltaïsche cellen van kristallijn silicium waren de eerste die op grote schaal werden geproduceerd en behoren tot de meest efficiënte, vooral wanneer ze worden gemaakt met synthetische halfgeleiders zoals galliumarsenide, dat echter is gereserveerd voor militaire en ruimtevaarttoepassingen.

Van de vele materialen die kunnen worden gebruikt bij de constructie van fotovoltaïsche modules, is silicium momenteel het meest gebruikte, omdat het in grote hoeveelheden op onze planeet beschikbaar is en veel wordt gebruikt door de elektronica-industrie, die de afgelopen decennia sterke ontwikkelingen heeft gezien op het gebied van verfijnings-, verwerkings- en dopeermethoden.

Afval van de verwerking van elektronische componenten kan worden gebruikt in zonnepanelen, omdat een lager zuiverheidsniveau vereist is voor silicium. De eerste generatie zonnepanelen waren de zogenaamde "kristallijne" panelen, die zijn gemaakt met nog steeds gangbare technologieën: monokristallijn halfgeleider (c-Si) of polykristallijn.

De eerste wordt gemaakt door de halfgeleider te smelten en deze terug te laten groeien op een kristalkiem die de oriëntatie van de kristalstructuur zelf bepaalt. Voor de laatste wordt een metallurgisch proces gebruikt, waarbij een wanordelijke kristalstructuur wordt geproduceerd waarin de kristallen willekeurig zijn georiënteerd.

Monokristallijne siliciumcellen hebben een hogere efficiëntie (vandaag de dag tot wel 25%), maar zijn duurder. Polykristallijne siliciumcellen zijn goedkoper, maar hebben een lagere efficiëntie (ongeveer 23%) omdat een deel van de door licht vrijgemaakte elektronen gevangen blijft in de kristalstructuur en ook omdat de verschillende oriëntatie van de kristallen het licht enigszins belemmert.

Kristallijne fotovoltaïsche panelen worden gemaakt door meerdere zonnecellen (meestal 1,5 W elk) op een plaat te lijmen, zoals te zien is in Figuur 1, en ze in serie en parallel te verbinden totdat spanningen van 12 V, 24 V of hoger worden bereikt. Ze zijn in staat om vermogens van zelfs enkele honderden watts te leveren.

Wetende dat de panelen worden gebruikt om batterijen op te laden, zorgt men er altijd voor dat de geleverde spanning ten minste een paar volt hoger is dan die van de batterijen zelf: doorgaans 15 V of 28 V. Kristallijne modules hebben twee nadelen: ze zijn duur en hebben alleen een goede efficiëntie als het licht hen in de optimale richting bereikt (wanneer het licht loodrecht op hun oppervlak valt, met een afwijking van ±20°).

Dit betekent dat hun efficiëntie gedurende een groot deel van de dag slecht is. Een kristallijn paneel ziet onvermijdelijk zijn prestaties na verloop van tijd afnemen, wat inhoudt dat de efficiëntie door blootstelling aan de zon met ongeveer 1% per jaar achteruitgaat; gemiddeld is er voor een kristallijn fotovoltaïsch paneel een daling van 20% in 25 jaar.

Monokristallijn silicium moet ultrazuiver zijn en heeft hoge kosten vanwege het zeer complexe fabricageproces, dat temperaturen tot wel 1500 °C vereist om het silicium te smelten en opnieuw zuiver te laten groeien. Om de kosten van zonnepanelen laag te houden, wordt daarom polykristallijn silicium gebruikt, dat minder presteert, maar ook minder duur is, terwijl het nog steeds een levensduur van 25 tot 30 jaar kan garanderen.

Het kenmerk van polykristallijn silicium is dat de kristallen nog steeds met elkaar zijn verbonden, maar met verschillende vormen en oriëntaties. De verfijning van het productieproces van polykristallijn silicium maakt het nu mogelijk om cellen te maken met elektrische prestaties die slechts iets inferieur zijn aan die van het monokristallijne proces.

Het meest gebruikte type fotovoltaïsch paneel is het "dubbel-glas" type, bestaande uit twee zeer weerbestendige doorzichtige ruiten die door plastic siliconen bij elkaar worden gehouden. Tussen de twee glasplaten worden siliciumcellen van verschillende vormen (circulair of vierkant met afgeronde hoeken) geplaatst, ongeveer 0,3 tot 0,5 mm dik en met een diameter van 25 tot 100 mm.

Om de verbindingen te maken, worden de twee zijden van de siliciumcel op sommige plaatsen gemetalliseerd, en het deel dat aan de zon wordt blootgesteld, heeft het typische roosterpatroon om zoveel mogelijk licht door te laten. Zonnecellen met een klein vermogen worden gemaakt door diffusie (bij 800 °C) van vijfwaardige onzuiverheden (fosfor) op een zuiver P-gedoteerd halfgeleidersubstraat, om zo een junctie te vormen op een diepte van ongeveer 5 µ.

Op deze manier is de N-laag van de halfgeleider dun genoeg om licht dat op de junctie is gericht erdoorheen te laten gaan. Het substraat is elektrisch verbonden met de positieve pool, terwijl voor de negatieve pool het N-gebied wordt gemetalliseerd door dunne aluminiumstrippen te maken die samenkomen op één enkele elektrode.

De elektrische verbinding tussen de fotovoltaïsche cellen wordt tot stand gebracht via twee metalen contacten, één op de blootgestelde zijde en de andere op de tegenoverliggende zijde, die normaal gesproken worden verkregen door vacuümverdamping van metalen met zeer lage elektrische weerstand.

Terwijl de achterkant volledig wordt gemetalliseerd, bestaat de voorkant uit metalen stroken die dienen om stroom van de anode van elke cel af te tappen zonder te veel lichtdoorvoer te blokkeren. De volgende stap in de verwerking van een cel is de afzetting van een antireflectielaag van maximaal 1 µ dik, waarvoor meestal vacuümverdampt titaniumoxide wordt gebruikt.

Panelen van amorf silicium

Een alternatief — maar zeer levensvatbare — technologie ten opzichte van kristallijn dateert van meer dan 30 jaar geleden en is die van amorf silicium (a-Si). Cellen van dit type zijn samengesteld uit halfgeleiders waarin atomen chemisch in amorfe vorm worden afgezet (d.w.z. ongeorganiseerd op het niveau van het kristalrooster) op het dragende oppervlak.

Deze technologie heeft het voordeel dat er minimale hoeveelheden silicium nodig zijn (de dikte van de halfgeleider is in de orde van een micron, wat niet verrassend geschikt is voor het maken van dunne-film modules); echter, de resulterende modules hebben een lagere efficiëntie dan die typisch is voor kristallijne technologie.

De niet-uniforme oriëntatie maakt het mogelijk een gemiddelde efficiëntie te bereiken die gelijk is aan die van de waardevolle monokristallijne technologie, omdat in de amorfe structuur — waarbij atomen in verschillende richtingen georiënteerd zijn — zonnestraling effectief een groot aantal atomen raakt, ongeacht de invalshoek.

Als gevolg hiervan garandeert het gebruik van amorfe systemen, in installaties waar de panelen vast zijn en wanneer de lucht een beetje bewolkt is, een gelijkmatiger elektriciteitsproductie gedurende de dag. Bij kristallijne systemen is de stroomproductie namelijk meer dan het dubbele van die van een amorfe zolang de zon op de optimale hoek schijnt (rond het middaguur), maar daarna neemt deze af; aan de andere kant ontvangt de amorfe cel het licht min of meer goed vanuit elke richting, waardoor het de hele dag van de zon profiteert.

Een voorbeeld van een fotovoltaïsch paneel van amorf silicium is geïllustreerd in Figuur 2.

Dunne-filmmodules voor zonnecellen

Een van de nieuwste productietechnologieën die de manier waarop fotovoltaïsche systemen worden ontworpen drastisch zal veranderen, is dunne-filmtechnologie, die componenten omvat die gemaakt zijn van microsferisch silicium, gemonteerd op een flexibel module, of amorf silicium of synthetische halfgeleiders.

Een gemeenschappelijk kenmerk van al deze technologieën is de zeer dunne dikte (vandaar de naam) van de actieve laag. De geproduceerde modules zijn slechts enkele millimeters dik en bestaan uit lagen halfgeleidermateriaal, dat niet per se silicium hoeft te zijn, en meestal als een gasmengsel op goedkope substraten (glas, polymeren, metalen) wordt afgezet. De dunne-filmtechnologie omvat traditionele amorfe silicium (a-Si) modules, die momenteel het meest verkocht worden, maar ook tandem (dual)- en triple-junction amorfe siliciumpanelen.

De tandemtechniek dateert van enkele decennia geleden en is ook toegepast in kristallijne panelen; dit wordt begrepen door te overwegen dat een bepaalde halfgeleider een piekgevoeligheid heeft bij een bepaalde golflengte van licht.

Om maximale prestaties onder verschillende lichtomstandigheden te bereiken en optimaal gebruik te maken van het zonnespectrum, kan men cellen combineren die zijn samengesteld uit verschillende halfgeleidermaterialen: bijvoorbeeld silicium (van infrarood tot het midden van het zichtbare spectrum) en galliumarsenide of andere synthetische halfgeleiders met een hoge extractie, voor het bovenste deel van het zichtbare bereik.

Op deze manier wordt zowel direct zonlicht (dat een lagere kleurtemperatuur en dus een langere golflengte heeft) als gereflecteerd licht van de lucht, dat koeler is en een kortere golflengte heeft, benut. Een module die bijvoorbeeld met deze techniek is gebouwd, heeft weliswaar een lagere specifieke efficiëntie vergeleken met kristallijn silicium, maar voor hetzelfde vermogen weet het jaarlijks 20% meer energie te produceren, omdat het beter reageert op diffuse zonnestraling (het licht dat wordt gereflecteerd door de lucht). Een voorbeeld van een dunne-film zonnepaneel is te zien in Figuur 3.

Een evolutie van de tandemtechnologie is gepatenteerd door Unisolar en staat bekend als Triple Junction. In plaats van paren gebruikt het drietallen van zonnecellen, elk gemaakt van zijn eigen materiaal.

Wat betreft duurzaamheid lijden de dunne-filmtechniek en in ieder geval de amorfe siliciumtechniek aan een minder constante daling in rendement. Daarnaast biedt de dunne-filmtechniek veel voordelen: naast dat het goedkoper is en een meer uniform rendement gedurende de dag mogelijk maakt, maakt het ook de constructie van flexibele soorten fotovoltaïsche modules mogelijk voor een veelvoud aan toepassingen, waaronder het hechten aan gebogen ondergronden van staal (metalen daken) en andere materialen (PVC-bekleding, etc.).

De minimale dikte maakt het mogelijk om de modules niet alleen op gebogen en flexibele oppervlakken toe te passen, maar ook op de beglazing van gebouwen, terwijl er nog steeds een redelijke hoeveelheid licht doorgelaten wordt. Dit verklaart waarom de dunne-filmtechniek snel groeit, en naast de oudere oplossingen — namelijk, die zojuist beschreven — worden er nieuwe technologieën ontwikkeld op basis van synthetische materialen.

Een van deze technologieën gebruikt een laag cadmiumtelluride (CdTe) bovenop een laag microkristallijn cadmiumsulfide (CdS), die zeer lage productiekosten hebben omdat de technologie die hiervoor wordt gebruikt niet de zeer hoge temperaturen vereist die nodig zijn voor het smelten en zuiveren van silicium.

Over cadmiumtelluride: het is een kunstmatige halfgeleider waarmee het mogelijk is fotovoltaïsche modules te maken met eigenschappen die vrij vergelijkbaar zijn met die verkregen uit duur gallium-arsenide. De mechanische eigenschappen zijn uitstekend: met een actieve laag van slechts 5 µ is het mogelijk cellen te bouwen met rendementen van meer dan 13%. Grootschalige productie is echter nog steeds moeilijk, en het probleem van het algehele module-rendement blijft bestaan.

Wat betreft microkristallijn cadmiumsulfide is de constructietechniek vrij goedkoop: het materiaal wordt op een metalen substraat aangebracht door het te vernevelen als verf. Helaas heeft de productie van dit type fotovoltaïsche cel enkele nadelen: de toxiciteit van cadmium en het lage rendement dat behaald kan worden. Bovendien, als het fotovoltaïsche paneel in brand vliegt en zeer hoge temperaturen bereikt, bestaat er een risico dat cadmium in de lucht vrijkomt.

Gallium-arsenide (GaAs) wordt ook gebruikt bij de vervaardiging van dunne-film panelen, die zeer hoge rendementen (40%) kunnen behalen dankzij een betere gevoeligheid voor zonlicht en een hoger extractiepotentieel, wat resulteert in een hogere nuttige spanning per cel dan die welke met silicium kan worden verkregen.

Een van de redenen waarom het rendement van gallium-arsenide beter is dan dat van silicium bij zonne-instraling, ligt in het feit dat het gevoeliger is voor de meest energierijke component van de zonnestralen: het ultraviolette gedeelte. Gezien de hoge kosten wordt deze halfgeleider voornamelijk gebruikt voor militaire of geavanceerde wetenschappelijke toepassingen.

Twee andere synthetische materialen die bedoeld zijn voor de productie van zonnecellen zijn koper-indium-selenium (CIS) en koper-indium-gallium-selenium (CIGS), die qua constructie zeer complex en duur zijn.

Een andere technologie die we als hybride kunnen beschouwen, is de microsferische siliciumtechnologie: deze maakt gebruik van polykristallijn silicium gereduceerd tot bolletjes van ongeveer 0,75 mm in diameter, ingekooid in een aluminium substraat. Let op dat van de beschreven technologieën zowel amorf als microsferisch het mogelijk maken dat de module buigt zonder schade. In het geval van amorf komt dit doordat er geen kristalstructuur van het materiaal is die voorkomt dat het buigt. En in het geval van microsferisch is het niet de cel (bol) die buigt, maar de honingraatstructuur waarop deze is geplaatst.

De rendementen van dunne-film panelen zijn doorgaans 21% voor kristallijn silicium, 18% voor organische materialen (CIGS halen tot 16%) en 14% voor amorf silicium. Voor meer details kunt u een kijkje nemen bij het tekstvak over Amorf Silicium en Dunne Film Technologie in dit artikel.

Hybride technologieën

Naast de zojuist genoemde technologieën zijn er manieren om zonnepanelen te maken die de basistechnologieën combineren. De eerste die we behandelen is HJT, of Hetero Junction Technology, waarbij PN junctions worden gebruikt die uit verschillende stoffen bestaan; de cellen bestaan uit een kristallijne siliciumlaag als drager voor een of meer amorfe of kristallijne lagen, die elk geoptimaliseerd zijn voor een specifieke golflengteband waaruit zonlicht bestaat (Figuur 4).

Een voorbeeld is de HIT-technologie (HIntrinsic Thin layer) van het Japanse Sanyo: deze is gebaseerd op een dunne monokristallijne siliciumwafer omgeven door een ultradunne amorfe siliciumfilm. Deze structuren vereisen weliswaar geavanceerde en dure technieken, maar bieden een rendement tot 19% en gaan tot 30 jaar mee, waardoor ze beter presteren dan conventionele panelen.

Panelen gemaakt met hetero-junction zijn gebaseerd op drie materialen: monokristallijn silicium, amorf silicium en ITO (indiumoxide dunne film); met deze meest veelbelovende techniek is een rendement van 27% behaald.

Geconcentreerde zonnecellen

Hoewel zonne-energie meer dan voldoende is voor menselijke behoeften, zou het in de praktijk onmogelijk zijn om zelfs maar de helft ervan te benutten in conventionele zonnepaneelsystemen. Dit komt doordat de jaarlijkse productie van geraffineerd silicium (d.w.z. geschikt voor gebruik in elektronica) ongeveer 30.000 ton bedraagt. Ervan uitgaande dat 50% daarvan wordt gereserveerd voor de productie van zonnepanelen en wetende dat voor het gebruik van de kristallijne techniek 20 kg silicium per kWp moet worden geproduceerd, zou de wereldproductie elk jaar met 750 MW (0,75 GW) kunnen toenemen. Omdat bestaande installaties elk jaar 1% efficiëntie verliezen, is het niet waar dat de fotovoltaïsche productie jaarlijks met 0,75 GW kan toenemen, omdat er in feite een deel verloren gaat van wat er al is.

Daarom moet de efficiëntie van de conversie worden verhoogd. Een manier om dit te doen is het gebruik van systemen die licht kunnen concentreren zonder het oppervlak van de zonnecel te vergroten. Daarbij wordt gebruik gemaakt van convergerende lenzen; dit maakt een rendement van meer dan 40% mogelijk. Deze techniek heeft echter het nadeel dat de cellen gekoeld moeten worden, omdat ze door geconcentreerd licht worden belicht meer opwarmen dan conventionele cellen en, als ze niet goed worden gekoeld, beschadigd kunnen raken. De efficiëntie van dit type zonnepanelen wordt echter beperkt door thermische opwarming; anders zou de efficiëntie oplopen tot 50%.

Binnenkort

Tot nu toe hebben we verschillende soorten zonnepanelen besproken die op de markt verkrijgbaar zijn, met al hun specifieke eigenschappen en mogelijkheden. In het tweede deel van deze artikelreeks zullen we zien hoe we ze kunnen integreren in de meest voorkomende verbindingsschema's met oplaadsystemen, batterijopslagsystemen en omvormers, zowel in offline als in netgekoppelde configuraties. Haal ondertussen de stekker er niet uit, alsjeblieft!

Amorf silicium en dunne-filmtechnologie

Dunne-filmtechnologie vereist minimale hoeveelheden halfgeleider omdat deze bestaat uit zeer dunne en daardoor ook zeer transparante structuren. Het heeft lage productiekosten en, vergeleken met kristallijne technologie, maakt het mogelijk om panelen te maken die minder kwetsbaar zijn en toleranter zijn ten opzichte van de invalshoek van het licht.

Sommige dunne-filmmodules zijn bovendien ook beloopbaar, flexibel en aanpasbaar aan gebogen en glazen structuren. De enige gebreken zijn de lage efficiëntie en stabiliteit op de lange termijn. De lage efficiëntie wordt gecompenseerd door het feit dat de module gelijkmatiger gevoelig is voor licht dan kristallijne modules; met andere woorden, de efficiëntie blijft ongeveer gelijk binnen een brede hoek, wat de modules zeer geschikt maakt voor gebruik in vaste installaties en betere efficiëntie geeft bij diffuus licht, bijvoorbeeld wanneer de lucht bewolkt is.

In tegenstelling tot kristallijne technologie, waarbij het halfgeleidermateriaal vast is in de vorm van een wafer, worden bij dunne-filmtechnologieën materialen neergeslagen door ze uit een gas te extraheren, wat bij amorf silicium meestal silaan (SiH4) of trichlorosilaan (SiHCl3) is; deze gassen worden al decennia gebruikt voor de productie van halfgeleidercomponenten door epitaxiale groei.

Een vergelijkbare technologie is gebaseerd op synthetische halfgeleiders zoals CdS, CdTe, enz. Door de halfgeleider uit een gas dat het bevat neer te slaan, is het mogelijk om zeer dunne lagen (enkele microns...) te produceren op een breed scala aan substraatoppervlakken, waarbij lagere temperaturen (800 °C) worden gebruikt dan nodig is voor het vervaardigen van de juncties van mono- en polykristallijne panelen. Omdat de verwerking van dunne-filmmodules echter het gebruik van materialen met bijzondere eigenschappen vereist (zoals amorf silicium, cadmiumtelluride, indiumdiselenide en koper), moeten nog verschillende technische problemen worden opgelost, vooral wat betreft de stabiliteit van de elektrische prestaties gedurende de levensduur.

In tegenstelling tot kristallijne modules bestaan dunne-filmmodules in wezen uit één of meer grote onderling verbonden juncties, verkregen door de depositie van een gedoteerd materiaal van acceptoren (rijk aan gaten) op een donor-gedoteerd materiaal (rijk aan elektronen); bijvoorbeeld cadmiumsulfide op cadmiumtelluride, voor CdTe/CdS-synthesetechnologie.

De uniformiteit en het vermogen om flexibele modules te maken, maken amorf silicium tot een populair product voor integratie met architectonische elementen. Amorf silicium was het eerste materiaal dat werd gebruikt voor de productie van dunne films. Helaas beperkt de aard van amorf silicium, dat geen gedefinieerde moleculaire structuur heeft, de prestaties van het product aanzienlijk op het gebied van conversie-efficiëntie, die ver onder die van kristallijn ligt (5 tot 8% voor de beste amorfe meerlaagscellen).

Voor dunne films moeten nog een aantal problemen met betrekking tot de prestatiestabiliteit in de loop der tijd worden opgelost, omdat bijna 10% van het door de fabrikant opgegeven vermogen verloren gaat in de eerste 300 tot 400 uur blootstelling, hoewel het daarna stabieler wordt dan kristallijn, dat jaarlijks ongeveer 1% vermogen verliest.

Een bouwwijze voor zonnepanelen die aan populariteit wint, is driedubbele-junctietechnologie: hierin bestaat de fotovoltaïsche module uit een dunne-filmstructuur met drie juncties die bovenop elkaar zijn gestapeld, waarbij elk gevoelig is voor een bepaald deel van het zonlichtspectrum. De verminderde dikte en daarmee transparantie van de lagen maakt het mogelijk dat licht de binnenste laag bereikt.

Huidige dunne-filmceltechnologieën zijn van toepassing op zowel amorf silicium als synthetische materialen en zijn als volgt:

• Amorf silicium, waarbij siliciumatomen chemisch worden neergeslagen in een amorfe, dat wil zeggen structureel ongeordende, vorm op het ondersteunende oppervlak, dat glas, roestvrij staal of een ander metaal kan zijn,
• Cadmiumtelluride (CdTe, N-halfgeleider) en cadmiumsulfide (CdS, P-halfgeleider), neergeslagen op een koper- en koolstof- of titaniumgebaseerde laag, die als basis fungeert en aan de bovenzijde wordt afgesloten door tinoxide en glas,
• Galliumarsenide (GaAs),
• Koper-indium-gallium-indium-koper-diselenide (CIGS); tussen twee elektroden, gevormd door een stalen folie die als steun fungeert en een zinkoxidelayer onder het beschermende glas, bevindt zich een laag cadmiumsulfide (P-halfgeleider) en een laag indium-koper-gallium-diselenide (N-halfgeleider),
• Koper-indium-diselenide (CIS).

---

Opmerking van de redactie: Geïnteresseerd in ESP32 en zelfbouwprojecten? Dit project verscheen oorspronkelijk in Elettronica IN.