Een zonnepaneel, ook wel PV-module genoemd, bestaat uit een reeks zonnecellen die in serie zijn gemonteerd in een frame. Een zonnecel is een dunne plak, een ‘wafer’ die wordt gezaagd van groot blok of staaf silicium. Een zonnecel bestaat uit een aantal lagen: een P en een N laag met daartussen een halfgeleidende scheidingslaag.
De zon straalt energie uit in de vorm van fotonen. Deze vallen op de buitenste P-laag en maken daar de elektronen los. De fotonen drukken als het ware de elektronen door de scheidingslaag naar de N-laag. Daar hopen de elektronen zich op, want de scheidingslaag laat alleen elektronen door van de P-laag naar de N-laag. Elektronen zijn negatief geladen. Onder de invloed van zonlicht krijgt de N-laag een negatieve lading. Er ontstaat zo een spanningsverschil tussen de P-laag en de N-laag. Dit spanningsverschil kan gebruikt worden om stroom te genereren. Met zilverkleurige dunne draadjes worden de P-laag en de N-laag van de verschillende zonnecellen met elkaar verbonden.
De zonnecellen op een zonnepaneel zijn in serie geschakeld. Dat betekent dat ze zodanig aan elkaar zijn gesoldeerd dat de opgewekte stroom over de lengte van het paneel alle ‘kolommen’ door gaat. Achter op het paneel zit een aansluitbox (junctionbox) die is verbonden met de eerste en de laatste cel op het paneel. Dit heeft ook tot gevolg dat de totale stroomdoorvoer wordt geknepen als er een belemmering is bij één of meer cellen (bijvoorbeeld door schaduwwerking). Je kunt het vergelijken met een tuinslang, als je ergens op één plek in de slang knijpt, komt er ook minder water uit.
Er zijn verschillende typen zonnecellen: het basismateriaal van deze cellen is silicium. Tijdens het productieproces wordt er aan de buitenste P-laag het element fosfor toegevoegd en aan de binnenste N-laag het element borium. Fosfor heeft eigenlijk een elektron teveel voor silicium en borium een elektron te weinig. Door deze elementen toe te voegen, wordt het proces van loslaten van de elektronen bevorderd.
- polykristallijn: dit type silicium wordt veel gebruikt om het gemakkelijk te produceren is. Alle silicium kristallen liggen kris kras door elkaar, er vindt geen nabewerking plaats zoals bij monokristallijn en de wafers worden gezaagd van blokken zodat de zonnecel allemaal rechte hoeken heeft. De omzetefficiency (het rendement) van polykristallijn is wat lager dan dat van monokristallijn.
- monokristallijn: de kristallen worden middels een nabewerking tijdens het stollingsproces in dezelfde richting gelegd. Daardoor is het rendement wat hoger, maar de productie is duurder en cellen moeten gezaagd worden uit enigszins ronde staven waardoor de hoeken afgetopt worden. Een monokristallijn paneel heeft daardoor tussen de cellen kleine vierhoekjes.
- amorf silicium: dit wordt gebruikt voor de zogenaamde flexibele cellen. Dit wordt gemaakt via poeder en een opdampingsproces waarbij het onderliggende materiaal flexibel en buigzaam kan zijn. Het rendement is lager dan bij de ‘vaste’ zonnecellen. Ze worden in folies maar ook vaak in paneel-vorm geproduceerd, maar deze kunnen dan enigszins gebogen voor montage op bijvoorbeeld campers of boten. Deze panelen worden soms ook dunne film panelen genoemd, maar die benaming wordt meestal gebruikt met een andere type zonnepaneel: CIS of CIGS. Deze zullen we in een apart artikel bespreken.
Hierboven hebben we het gehad over het materiaal van de zonnecellen. Het verschil tussen poly en mono is tegenwoordig verwaarloosbaar. Doordat een poly-paneel geen last heeft van de vierkantjes tussen de cellen is er meer werkzaam materiaal beschikbaar. Daarnaast maken fabrikanten gebruik van allerlei optimalisatietechnieken. Zonnecellen kunnen tegenwoordig in alle kleuren worden geleverd. De eerste jaren werden alleen monokristallijn panelen in zwart geleverd. Om esthetische redenen kwamen de “all blacks” panelen op de markt, waarbij ook het frame zwart is. Inmiddels kan ook een poly-paneel zwart zijn.
Coatings en constructie
De zonnecellen worden in een frame gelegd met een doorzichtige laag van speciaal glas (het ijzer is daar uit gehaald omdat deze de fotonen tegenhouden). Door middel van allerlei coatings en nabehandelingen van de P-laag probeert men de efficiency van de panelen omhoog te krijgen. Ook de constructie van het paneel is van belang. Tegenwoordig kent men ook glas-glas panelen, met een sterkere en meer stijve constructie en waarbij soms ook de achterkant van het paneel een doorzichtige laag krijgt. Het frame van een zonnepaneel moet constructief goed zijn! Het moet waterdicht zijn, niet buigzaam zijn en de lagen moeten goed op elkaar gelijmd zijn. Een slappe constructie (en ook een ruwe behandeling tijdens vervoer en installatie) kan leiden tot zogenaamde microcracks: vrijwel onzichtbare barstjes in de zonnecellen die er de oorzaak van zijn dat een zonnecel niet meer werkt.
Delaminatie
Bij slecht geproduceerde zonnepanelen kan na vele jaren ‘delaminatie’ optreden. Dan komen de verschillende laagjes binnen een zonnepaneel los van elkaar. Het is van afstand zichtbaar aan vlekken/bubbels op de panelen. Delaminatie kan leiden tot een lagere opbrengst of zelfs onveilige situaties. Oorzaak is vaak onzorgvuldig ‘lijmen’ van de verschillende lagen van een zonnepaneel in de fabriek.
Microcracks
Bij een kwalitatief slecht zonnepaneel kunnen er al microcracks zijn ontstaan bij het productieproces. Deze zijn funest voor de levensduur van een paneel. Plaatselijk kunnen er hogere temperaturen ontstaan binnen de zonnecellen, die voor allerlei problemen kunnen zorgen. Microcracks kunnen ook later ontstaan door bijvoorbeeld harde inslagen door grote hagelstenen. Dit heeft in een aantal schadesituaties met forse hagelbuien geleid tot conflicten met verzekeringsmaatschappijen, die niet tot uitkering overgingen omdat er geen zichtbare schade waarneembaar was. Terwijl de panelen dus gewoon kapot gegaan waren. Overigens zijn zonnepanelen goed beschermd tegen ‘normale’ hagelinslag, ze worden aan diverse testen onderworpen. Maar bij hagelstenen zo groot als tennisballen is het niet vreemd dat er dan microcracks ontstaan. Deze barstjes of scheurtjes zijn met het blote oog niet zichtbaar! Een goede fabrikant voert daarom in de productielijn zogenaamde Elektroluminescentie-scans (EL-scans) uit, die zulke beschadigingen letterlijk aan het licht brengen voordat de panelen op transport gaan.
Hotspots
Een zonnecel kan beschadigd zijn door microcracks, die op hun beurt ervoor kunnen zorgen dat er op bepaalde plekjes een extreem hoge temperatuur gaat ontstaan. Dit kan leiden tot inbranden, de zogenaamde hotspots. In zijn algemeenheid is een hotspot een zonnecel die heel heet wordt. De zonnecel doet dan niet mee met de andere cellen om stroom te produceren. De stroom ‘stropt’ dan bij deze zonnecel, de cel gaat energie opnemen en gaat werken als een grote weerstand die heel heet wordt! Deze situatie kan ook ontstaan als een zonnecel op één geconcentreerde plek langdurig beschaduwd wordt, door bijvoorbeeld vogelpoep of bladeren, of door een vast object zoals een antenne of schoorsteentje. Probeer dergelijke schaduwobjecten te vermijden. Fabrikanten passen zogenaamde bypass-diodes toe om dit probleem te voorkomen. Lees hier de toelichting.
Degeneratie
Een apart aandachtspunt, dat ook te maken heeft met de kwaliteit van het zonnepaneel, is de degeneratie van de zonnecellen. Over de tijd genomen verliezen zonnecellen elk jaar iets aan opbrengst door ‘slijtage’ van het materiaal (het gemak waarmee elektronen door de P- en N-laag kunnen bewegen neemt af). De meeste fabrikanten van zonnepanelen garanderen tegenwoordig een min of meer lineaire degeneratie van 0,8% per jaar om na 25 jaar nog op een opbrengst van 80% of meer uit te komen. Dat betekent dat elk jaar de opbrengst een kleine beetje minder wordt en dus niet na bijvoorbeeld 10 jaar in één keer een halvering van de opbrengst.
Links
Kennisbundel Zonnepanelen – Instituut Fysieke Veiligheid
