Golflengte waarop zonnecellen werken

[always]

Is het waar dat zonnecellen slechts 1 golflengte gebruiken? Zo ja welke is dat en waarom niet meer?

[Marko]

Nee, dat is niet waar. Een conventionele silicium-cel zet licht met golflengtes tussen 500 en 1100 nm om. Andere types kunnen bredere of smallere absorptiebanden hebben, maar over het algemeen toch over een bandbreedte van een paar honderd nm.
 
Door slim gebruik te maken en verschillende types op elkaar te leggen (een multi-junction ontwerp) ontstaan zelfs cellen die over bijna het gehele zonnespectrum licht absorberen en omzetten. 

[Lx]

Ja, door het actieve bereik (in golflengte) van een zonnecel te verbreden, kun je inderdaad opbrengst toevoegen. Je kunt bijvoorbeeld een IR-infraroodcel (infrarood) printen bovenop een gewone zonnecel. De IR-zonnecel is transparant en voegt 4% opbrengst toe voor zonlicht. Maar het theoretisch rendement blijft ook voor de straling in het IR-gebied aan een maximum gebonden.
 
Theoretisch is het maximaal haalbare rendement met een halfgeleider (PN-overgangen) ongeveer 34% voor zichtbaar licht, bij silicium 29%
 
http://en.wikipedia.org/wiki/Shockley–Queisser_limit
 

een multi-junction ontwerp

 
Term kende ik niet.. over die multi-junction oplossingen kon ik wel e.e.a. vinden in Google, die cellen hebben zo te lezen een hoger rendement.. het record staat nu op 46%
 
http://www.ise.fraunhofer.de/en/press-and-media/press-releases/press-releases-2014/new-world-record-for-solar-cell-efficiency-at-46-percent
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell_efficiency#/media/File:PVeff(rev150319).jpg
 
.. en er is nog een fundamenteel punt: niet alle inkomende fotonen worden  geabsorbeerd in "electron-gaps" in het silicium PN-overgangen. Er zijn interessante ontwikkelingen momenteel, om ook energie te oogsten van andere fotonen.. het gaat theoretisch boven mijn pet hoe dit precies werkt, maar met behulp van het printen van lagen organische moleculen (polymeer) op de silicium zonnecel kun je het rendement spectaculair verhogen..
 
http://www.phy.cam.ac.uk/research/research-groups/oe/solarcells
http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1324264
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079670013000427
 
In deze artikelen en in de persberichten werd vorig jaar wordt van 95% rendement gesproken, maar er bestaan nog geen prototypes die dat kunnen.

[Benm]

Met multi-junction cellen kun je vrijwel het hele zichtbare bereik gebruiken en daarnaast ook nog een fors stuk van het infrarood. 
 
De gebruikelijk constructie voor hoog rendement heeft 3 verschillende juncties gestapeld, eentje voor zichtbaar licht vanaf pakweg geel, eentje voor de midrange (geel tot ~1100 nm) en een voor wat dieper infrarood (1100 tot 1600 nm).
 
Let wel dat dit type photovoltaische cel aan de prijs is. Voor toepassingen waarbij formaat/gewicht een kritieke factor is blijft dat aantrekkelijk (ruimtevaart, offshore etc). maar voor toepassing in levering van electriciteit aan het net wegen andere factoren zwaarder. Je kunt beter iets plaatsen dat voor $1000/m2 100W/m2 produceert dan iets dat voor $50.000/m2 250W/m2 levert. Op de grond gaat het gewoon om wat het kost per kW geinstalleerd vermogen, rendement is niet zo relevant. Als je het 36.000 km naar een geostationaire baan moet slepen is het gewicht en formaat echter wel de doorslaggevende factor. 

[Lx]

Hoe doen ze dat tussen de sterren.. aan de buitengrenzen van het zonnestelsel.. waar bijna geen licht is ? werken die hoog rendement cellen tot (bijv) de baan van Uranus o.i.d. ?

[Michel Uphoff]

Op dit moment ligt de grens zo ongeveer bij Jupiter. Rosetta is op dit moment de recordhouder onder de solar powered ruimterobots (grootste afstand tot de Zon was 792 miljoen km), en in 2017 zal dat Juno zijn (832 miljoen km). In theorie kan het nog verder, tot misschien wel Uranus aan toe, maar dat hangt van een aantal ontwikkelingen af waaronder:

 

- Verbetering efficiency van de zonnecellen

- Verminderen energiegebruik ruimtevaartuig

- Verminderen van de massa van de benodigde enorme zonnepanelen (lanceergewicht)

 

New Horizons, die medio dit jaar bij Pluto arriveert, werkt dan ook niet op zonnecellen maar gebruikt een radio-isotopen gestookte thermo-elektrische generator (rtg) als energiebron, net als Cassini die nu rond Saturnus draait.

 

Rosetta heeft 61,5 vierkante meter zonnecellen. Als een dergelijk toestel naar Uranus zou moeten zou het oppervlak van haar zonnepanelen minimaal 800 m² moeten beslaan. Er moet dus nog heel wat verbeteren voor we op dergelijke afstanden niet meer afhankelijk zijn van thermo-elektrische generatoren, als dat al gebeurt.

 

Rosetta_solar_panels_625 1368 keer bekeken

Een van de zonnepanelen van Rosetta volledig uitgeklapt. Bron: Esa

[Benm]

Op grote afstanden zijn RTG's te verkiezen boven zonnepanelen. Die techniek zit bijvoorbeeld ook in de voyager probes die koers zetten buiten ons zonnestelstel en waarschijnlijk nooit meer genoeg licht zullen zien om zonnepanelen plausibel te maken. 
 
Voor ruimtevaart maakt het geleverde vermogen versus het te lanceren gewicht het meeste uit. In de buurt van de aarde hebben zonnecellen momenteel het voordeel, maar naar mate je verder van de zon af wilt gaan zijn RTG's aantrekkelijker. Een combinatie kan natuurlijk ook, bijvoorbeeld voor missies naar mars. In het zonlicht kun je dan gebruik maken van de panelen, maar in het donker vertrouwen op  de baseload van de RTG's. Die hoeven niet eens veel electrisch vermogen te leveren, maar kunnen er door warmte voor zorgen dat systemen operationeel blijven en niet dusdanig koud worden dat ze onherstelbaar beschadigd raken.