Het rendement van een fotovoltaïsch systeem is de meting van hoeveel van de beschikbare zonne-energie een zonnecel omzet in elektrische energie. De meeste typische siliciumzonnecellen hebben een maximaal rendement van ongeveer 15 procent. Maar zelfs een zonnestelsel met een efficiëntie van 15 procent kan het gemiddelde huis op een kosteneffectieve manier van stroom voorzien.
Waar komt de energie vandaan?
Energie in zonlicht komt in pakketjes die fotonen worden genoemd. Deze fotonen dragen een bepaalde hoeveelheid energie, afhankelijk van hun golflengte. Als de golflengte afneemt, neemt de energie van een foton toe. Deze fotonen prikkelen elektronen in de zonnecel, waardoor ze door de schakelingen stromen, waardoor elektrische stroom ontstaat. Om een elektron in silicium vrij te maken, heeft een foton minimaal 1,1 elektronvolt energie nodig. Een elektronvolt is de hoeveelheid energie die nodig is om een elektron door een potentiaalverschil van één volt te bewegen. Als een foton meer dan 1,1 elektronvolt heeft, zal een elektron door het circuit bewegen, maar overtollige energie zal als warmte vrijkomen. Dit is een van de redenen dat zonnecellen zo'n laag rendement hebben; ze hebben maar een heel specifieke hoeveelheid energie nodig om te kunnen werken.
Hoeveel stroom levert de zon?
De zon levert een verschillende hoeveelheid energie, afhankelijk van waar je je op aarde bevindt en waar hij zich aan de hemel bevindt. Zonnepanelen worden doorgaans beoordeeld uitgaande van standaardomstandigheden die bekend staan als AM1.5. Dit staat voor luchtmassa 1,5, wat de geaccepteerde testconditie is voor zonnepanelen. Bij AM1.5 levert de zon 1.000 watt per vierkante meter. De werkelijk beschikbare zonne-energie varieert echter met de locatie, de weersomstandigheden en het tijdstip van de dag.
Welk percentage van het vermogen van de zon kunnen zonnecellen gebruiken?
Om de kracht van de zon te begrijpen, gebruiken we een stralingsmodel dat het blackbody-spectrum wordt genoemd. Het blackbody-spectrum vertelt ons de energieverdeling van objecten op verschillende golflengten. Op basis van een blackbody-spectrum heeft 23 procent van de energie van de zon een golflengte die te lang is om bruikbaar te zijn voor zonnepanelen. Die fotonen gaan gewoon door de cel. Andere golflengten hebben wat overtollige energie. In feite is nog eens 33 procent van de zonne-energie overtollige energie die ook onbruikbaar is voor siliciumzonnecellen. Daardoor blijft slechts 44 procent van de zonne-energie beschikbaar voor siliciumzonnecellen. Meer van deze energie gaat verloren door reflectie en andere processen in de cel zelf. Dus hoewel het theoretische maximale rendement hoger kan zijn, ligt het werkelijke rendement van siliciumcellen meestal rond de 15 procent.
Hoe verhogen we de efficiëntie van het paneel?
Om de efficiëntie van zonnepanelen te verhogen, kunnen we de materialen die we gebruiken om ze te maken verbeteren en diversifiëren. Verschillende materialen hebben een verschillende hoeveelheid fotonenergie nodig om stroom te produceren. Daarom kunnen hybride panelen een aantal verschillende elektronvoltwaarden dekken om de opgevangen energie te maximaliseren. Een probleem met deze benadering zijn de productiekosten. Het standaard zonnepaneel is gemaakt van silicium, dat algemeen verkrijgbaar en goed begrepen is. Naarmate de materialen die in zonnepanelen worden gebruikt, zeldzamer en gespecialiseerder worden, stijgen de productiekosten. Daarom gaat een verhoging van de efficiëntie gepaard met een verhoging van de kosten.