Sonsel

'n Sonsel is 'n toestel wat sonkrag in fotovoltaïese energie omsit en daardeur elektrisiteit opwek.

'n Sonsel

Die beginsel

Die bandgaping

'n Sonsel is in beginsel net 'n fotodiode wat aan sonlig blootgestel word. In sy eenvoudigste vorm is dit net twee lagies halfgeleiermateriaal met 'n ander, teenoorgestelde dotering op mekaar, waarvan die een p-tipe, en die ander n-tipe is.

Absorpsie en rekombinasie

Indien die sonlig se fotone op 'n halfgeleier val kan hul sonkrag gestoor word indien 'n elektron uit die volle valensband na die leë geleidingsband spring. Dit is net moontlik as die foton wat geabsorbeer word meer energie (E=hν) besit as nodig is om die halfgeleier se bandgaping te oortref. Blou lig lewer meer energie (~3eV) as infrarooi (<1eV) en die bandgaping verskil van halfgeleier tot halfgeleier. Silikon het 1,1eV, en CdS 2,4eV.

By absorpsie ontstaan 'n elektron-holtepaar. Daar is 'n vrye elektron e^- in die geleidingsband en 'n oop elektrontoestand in die valensband wat as 'n positief gelaaide holte h⁺ beskou kan word. Na gelang van hulle mobiliteit in die materiaal kan hulle meer of minder snel beweeg, maar gewoonlik gebeur iets anders: die twee rekombineer weer. Die opheffing is van korte duur. Die elektron val terug in die holte en die gestoorde energie word as warmte vrygestel.

Die uitputtingslaag

Die energiediagram van 'n (hetero)fotodiode. Links die p-tipe deel; regs die n-tipe en die uitputtingslaag daartussen

In 'n fotodiode word dit verhinder deurdat op die aansluiting, die grensvlak van die twee lae, 'n uitputtingslaag ontstaan. In die p-tipe materiaal is daar baie meer holtes as elektrone en in die n-tipe laag is dit andersom. In die uitputtingslaag is daar baie min ladingdraers omdat hulle met mekaar rekombineer. Indien naby die uitputtingslaag 'n foton geabsorbeer word sal die ontstane holte h⁺ na die p-tipe materiaal beweeg en die elektron e^- na die n-tipe gebied waar hulle veilig is: Die aansluiting veroorsaak ladingskeiding; h⁺ en e^- kan nie meer rekombineer nie. Dit beteken dat die een laag positief gelaai word en die ander negatief. Indien die twee lae uitwendig deur 'n geleidende draad verbind word ontstaan 'n elektriese stroom wat vir elektrisiteit gebruik kan word.

Die twee lae kan van dieselfde halfgeleier gemaak word, byvoorbeeld silikon wat met boor gedoteer is (p-tipe) en silikon wat met fosfor gedoteer is (n-tipe). Maar die twee lae kan ook twee verskillende halfgeleiers wees. In die afbeelding is dit p-tipe indiumfosfied links en n-tipe indiumgalliumarsenied. Die bandgapings is egter effens anders, wat beteken dat die foton se benodigde energie om geabsorbeer te word ook effens verskil.

Termalisasie en heteroaansluitings

Indien die foton se energie groter is as die bandgaping s'n sal die energieoorskot vinnig verlore gaan. Die elektron val vinnig terug na die geleidingsband se bodem en die holte styg na die valensband se top. Die oorskot word dan as warmte vrygestel. Hierdie termalisasie is 'n groot beperking van die metode wat die energieopbrengs beperk. Dit sou ideaal wees om iedere kleur foton na sy eie sonsel te stuur waarin die bandgaping met sy energie ooreenstem. Dit kan benader word deur meer lae met ander bandgapings te gebruik maar dit maak die vervaardiging baie ingewikkeld en duur. Daar is egter teen 2023 baie navorsing op hierdie gebied, wat toon dat kombinasies van selle met die perovskiet-struktuur op 'n silikonsel tot 31% opbrengs kan lewer en goedkoop vervaardig kan word.

Die bandgaping as kompromie

Shockley en Queisser se limiet

Sonselle wat tans bemark word het net een bandgaping en hierdie keuse is 'n kompromie. As die bandgaping groot is verkry mens 'n hoë spanning V maar min stroom I, omdat die meeste fotone nie absorbeer word nie, maar slegs dié wat ryk aan energie is (soos blou, violet). As die bandgaping klein is, word die meeste fotone geabsorbeer (tot rooi of infrarooi) en is die stroom I groot, maar baie energie gaan deur termalisasie verlore en die gelewerde spanning V is klein. Omdat die gelewerde energie V*I is, is die keuse van die materiaal en sy bandgaping altyd 'n kompromie. Shockley en Queisser het bereken dat die doeltreffendheid van 'n toestel met slegs een bandgaping daarom nooit groter as 33% kan wees nie.

Direkte en indirekte bandgapings

Skematies: direkte (links) en indirekte bandgaping (regs)

Vir silikon wat in 2023 die mees gebruikte halfgeleier is, is die doeltreffendheid tot ~22% beperk. Ten dele is dit ook die gevolg van die feit dat Si se bandgaping indirek is. Die kleinste verskil in energie tussen die valensband en die geleidingsband manifesteer by golffunksies wat nie in dieselfde rigting in die kristal beweeg nie. Dit beteken dat hulle k-vektor, oftewel die momentumvektor, nie ooreenstem nie. Die wet op die behoud van momentum vereis dat wanneer 'n elektron van die een na die ander spring, daar ook 'n fonon met 'n k-vektor wat daarvoor kompenseer, uitgestraal moet word. Dit beteken meer energieverlies as vibrasies en dus as hitte. Daar is halfgeleiers met 'n direkte bandgaping soos CuGaInSe, asook die perovskiete wat hierdie probleem nie ondervind nie. Die maksimum van die valensband en die minimum van die geleidingsband het dieselfde k-vektor, gewoonlik k=0, wat as die punt Γ aangedui word.

Sonselle met gegradeerde bandgapings

'n Manier om die kompromie en sy teoretiese limiet van 33% te verbreek, is om meer as een halfgeleier op mekaar te stapel, elk met hul eie bandgaping. Of alternatiewelik om 'n materiaal met 'n gegradeerde bandgaping te skep. In 'n sekere sin kan 'n mens so 'n toestel vergelyk met 'n sif wat fotone na gelang van hul kleur selekteer en elkeen daarvan absorbeer in 'n materiaal wat oor hul toepaslike bandgaping beskik.

Die vroegste werk wat hierdie funksionaliteit teoreties beskryf het, is reeds deur Tauc in 1957 gepubliseer. Sy werk het die belangstelling vir navorsing in die fotovoltaïese gemeenskap gestimuleer. Dit is teoreties bewys dat gegradueerde sonselkonfigurasies in staat is om 'n doeltreffendheid van ~38% onder AM1.5 te bereik in vergelyking met die 23% van 'n enkele bandgaping onder hierdie omstandighede. In die 1970's is die eerste toestelle met geleidelike doping van p-tipe galliumarsenied (GaAs) met aluminium gerapporteer ('n p-tipe gradering van p-Ga_1−xAl_xAs/n-GaAs). Hierdie stelsels is moontlik omdat daar mengkristalle van AlAs en GaAs gevorm kan word.

Ongelukkig was sulke stelsels te duur om van ekonomiese betekenis te wees, maar onlangse ontwikkeling in perovskiet-selle het weer die hoop laat opvlam dat hulle haalbaar kan word.

Geskiedenis

Vooruitgang in doeltreffendheid

Die fotovoltaïese sonsel het in die 1950s ontstaan. Chapi, Fuller en Pearson van Bell Labs ontwikkel die eerste silikonsel in 1954. Die opbrengs is aanvanklik laag, eers net 4%, maar is later verbeter tot 11%. Aanvanklik is daar veral belangstelling vir aanwending in ruimtevaart. In 1958 ontwikkel Mandelkorn 'n n-op-p silikonsel wat beter weerstand bied teen kosmiese straling en in dieselfde jaar gebuik die Amerikaanse Vanguard I-satelliet die eerste sonselle, met 'n vermoë van minder as 1 Watt. Later die jaar volg Explorer III, Vanguard II en die Russiese Spoetnik 3. Sonselle het daarmee die belangrikste energiebron in die ruimtevaart geword en bly dit steeds in 2024. Kommersialisering op terra firma het egter lank agterweë gebly. In die 1960's het navorsing veral op verhoging van die doeltreffendheid en op die stralingskade gemik, hoewel daar ook toepassings op moeilik toeganklike plekke ontstaan. Japan installeer in 1963 'n paneel van 242 Watt op 'n vuurtoring, die grootste paneel destyds. Die koste was egter 'n probleem. Elliot Berman slaag in die 1970's daarin om die prys van $100 per Watt tot $20 per Watt af te skaal.

In die 1970's het die oliekrisis aan die ontwikkeling van toepassings hier op aarde 'n hupstoot gegee. Daar word instellings gestig wat hulle met die ontwikkeling van sonselle besig hou, soos die Institute of Energy Conversion van die Universiteit van Delaware (1972) of wat eers die Solar Energy Research Institute (1977) heet, en tans die National Renewable Energy Laboratory (1991) in Golden, Colorado.

In die jare 1980 styg die produksie van sonselle: in 1982 was dit 9,3 MW wêreldwyd, in 1983 21,3 MW, in 1999 was dit 1000 MW (1 GW). Die ontwikkeling van beter selle met hoër doeltreffendheid het ook bestendig voortgegaan. Veral in die 2010's het die koste van deur sonsel opgewekte elektrisiteit sterk afgeneem.

Teen 2021 het sonsel-energie, saam met windenergie, die laagste volhoubare energiekoste (levelized cost of energy) in die Verenigde State.

Aanwending

Die koste van silikon-sonselle het in die 2010's baie afgeneem en derhalwe het hul aanwending wêreldwyd geweldig toegeneem. Per kWh-gelewerde energie is sonkrag die goedkoopste energie, maar dit is 'n bedrieglike vergelyking omdat die son (en die wind) wisselvallig is. Relatief tot energiebehoefte is daar soms 'n tekort en soms 'n oorskot. Dit het die tegnologie se aanwending beperk. Die oplossing daarvoor is die storing van elektriese energie. Die opheffing-tegnologie is in 2023 nog sterk in ontwikkeling maar daar is reeds besighede soos GoSolr in Suid-Afrika wat kombinasies van sonselle en litiumbatterye aanbied. Dit is 'n goeie manier om van beurtkrag onafhanklik te word.

'n Ander vraagstuk is die oppervlakte wat sonselle opeis. Die eenvoudigste oplossing is om hulle op dakke te plaas. Dit verminder die verliese wat deur transmissie optree. In droë gebiede soos die Karoo is die grond goedkoop, maar dit is dikwels weer ver van die gebruikers. In gebiede met meer reën is daar minder sonkrag en die grond word vir landbou gebruik. Daar is egter ook oplossings vir hierdie liggingprobleem.

Drywende sonselle

Drywende sonselle word getoets

Sonselle kan op 'n drywende vlot geplaas word, byvoorbeeld op mere of damme. In Singapoer word dit selfs ter see gedoen. Daar is verskeie voordele:

1. Die selle bly koel en dit verhoog hulle doeltreffendheid
2. Die oppervlakte is gratis
3. Die sonselle onderdruk verdamping
4. Op 'n hidroëlektriese dam kan die energie maklik gestoor word en is die netwerk reeds aanwesig
5. Die selle kan redelik maklik roteer word om hulle op die son te rig.

Agrivoltaïese opwekking

Agrivoltaïese opwekking in Duitsland

Sonselle verskaf skaduwee en in gebiede waar die sonkrag baie groot is, kan dit 'n voordeel wees omdat dit die gewas teen uitdroging beskerm. Daar is navorsing om landbou en opwekking van fotovoltaïese energie sodoende te kombineer. Dit kan met gewasse gedoen word, maar daar is ook plekke waar skaapherders hulle vee onder en tussen die sonselle laat wei.

Sonpanele

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Sonpaneel.

Om sonkrag in te samel word sonselle op sonpanele gemonteer en elektries gekoppel. Die sonpanele word dan op dakke, in landerye wat aan sonkragplase behoort of op flotasietoestelle geplaas. Die koste en die eindresultaat van die installasie hang net soveel af van hoe en waar dit gedoen word as van die keuse van sonkragmateriaal.

Kyk ook

• Perovskietsonsel