Als je op het strand zit, hebben de blauwe lucht die je ziet, de warmte die je voelt en de golven die je hoort allemaal hun bron in de energie van zonlicht. Fotovoltaïsche zonnecellen zijn een manier om de energie in zonlicht om te zetten in iets anders dan een plezierige vakantiedag. Zonnecellen zetten energie in zonlicht om in elektrische energie. Het rendement van een zonnecel is de verhouding tussen de hoeveelheid elektrische energie die hij produceert en de hoeveelheid zonne-energie die hem raakt.
efficiëntie
De efficiëntie van elk proces is een maatstaf voor hoe goed het proces werkt. Dat wil zeggen, hoeveel moeite je moet doen om een output te krijgen. Soms is efficiëntie moeilijk te kwantificeren, maar voor zonnecellen is het relatief eenvoudig. De input van een zonnecel is zonlicht en de output is elektriciteit. Meer specifiek is de input energie uit zonlicht, en de output is energie in elektronen.
Fotonen en licht
Op een fundamenteel niveau bestaat licht uit kleine pakketjes energie die fotonen worden genoemd. Op elk moment van de dag hebben miljarden fotonen interactie met een zonnecel. Die fotonen dragen verschillende hoeveelheden energie, afhankelijk van hun kleur. Sommige fotonen weerkaatsen op een zonnecel, andere gaan er doorheen en andere worden geabsorbeerd. Het lot van een bepaald foton hangt af van zijn energie - of, equivalent, zijn kleur. Het is onmogelijk om het gedrag van een bepaald foton met zekerheid te voorspellen, maar het is wel mogelijk om de kans op interactie te berekenen.
Lichtabsorptie
De overgrote meerderheid van zonnecellen is gemaakt van halfgeleiders. Een van de kenmerken van halfgeleiders zijn energiestructuren die 'bandgaps' worden genoemd. Elektronen aan de lage kant van de bandgap worden op hun plaats gevangen, terwijl elektronen die een energieboost naar de hoge kant van de bandgap vrij zijn om te bewegen - inclusief vrij zijn om helemaal uit de halfgeleider te gaan en zichzelf nuttig te maken in elektrische circuits. Fotonen die een energie dragen die dicht bij de grootte van de bandgap in een zonnecel ligt, worden het meest waarschijnlijk geabsorbeerd. Om de efficiëntie te berekenen, moet je de energie van elk foton vermenigvuldigen met de kans om te worden geabsorbeerd en de kans om uit de zonnecel in een elektrisch circuit te komen. Dat is een vrij complexe berekening.
Meting
Efficiëntie berekenen vanuit de eerste principes is omslachtig, maar als u over de juiste meetinstrumenten beschikt, kunt u de berekening gemakkelijker maken. Met een radiometer kun je de vermogensdichtheid in zonlicht meten. Vermenigvuldiging van de vermogensdichtheid met het oppervlak van de zonnecel geeft een maat voor de zonne-energie die de zonnecel binnenkomt. De volgende stap zet je door een schakeling aan te sluiten met een variabele weerstand, een stroomsensor en een spanningssensor. Elektrisch vermogen is het product van stroom en spanning en verandert afhankelijk van de hoeveelheid belasting die de zonnecel aanstuurt. Dus je varieert de weerstand, berekent het vermogen bij elke stap en vindt het maximale vermogenspunt. Deel het maximale elektrische vermogen door het opgenomen vermogen van de zonne-energie en je hebt het rendement van de zonnecel.
