De zon is een onuitputtelijke bron van schone energie. Voordelen van zonne-energie, ofwel zonnestroom, zijn dat we zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit en in warmte, zodat we op termijn geen fossiele brandstoffen meer hoeven gebruiken en onze klimaatdoelstellingen halen. Maar wat is zonne-energie en hoe is de werking van zonne-energie nu precies? Het antwoord op deze en andere vragen lees je hier.

1. Wat is zonne-energie?

Zonne-energie is een verzamelterm voor enkele zeer verschillende technologieën om de energie in zonlicht om te zetten in andere, meer bruikbare vormen van energie. Zonnestroom zet zonlicht direct, dat wil zeggen zonder de tussenkomst van warmte, om in elektriciteit.

2. Hoe werkt zonne-energie?

De werking van zonne-energie is in de basis voor alle zonnecellen dezelfde manier: ze absorberen licht en zetten de lichtenergie om in elektrische energie.

Hoe wordt zonne-energie opgewekt? Om dat mogelijk te maken bestaan de meeste zonnecellen uit twee dunne laagjes zogenaamd halfgeleidermateriaal. Op het grensvlak van die laagjes ontstaat spontaan een soort ladingsfilter. De lichtdeeltjes uit het zonlicht zorgen bij absorptie voor beweging van negatief geladen elektronen en hun positief geladen ‘tegenpolen’ (de gaten) in het halfgeleidermateriaal.

Op het grensvlak worden die twee door het filter van elkaar gescheiden, waardoor er een opbouw van negatieve lading aan de ene kant en van positieve lading aan de andere kant plaatsvindt en er een elektrische spanning tussen de lagen ontstaat. Wanneer de twee laagjes (meestal zijn dat de voor- en achterkant van de zonnecel) extern met elkaar worden verbonden kan er net als bij een batterij een elektrische stroom gaan lopen en vermogen worden geleverd.

3. Waaruit bestaat een zonnepaneel?

Buigzame zwarte dunne-film flexibele CIGS zonnecel van Solliance

De basis van een zonnepaneel is de zonnecel. Deze kan van verschillende materialen gemaakt zijn, verschillende ontwerpen hebben en flexibel zijn. Individuele zonnecellen zijn ongeschikt voor het meeste praktische gebruik en worden daarom onderling elektrisch verbonden en ingepakt. Die ingepakte zonnecellen noemen we een zonnepaneel. Panelen worden op hun beurt onderling elektrisch verbonden om een systeem te bouwen. Ze kunnen bijvoorbeeld op een dak worden gemonteerd of geïntegreerd.

4. Hoeveel rendement heeft een zonnecel?

Het rendement, ook wel efficiëntie genoemd, is de verhouding tussen het elektrische vermogen dat de zonnecel levert en het vermogen in de vorm van licht dat op de zonnecel valt. Rendement wordt meestal uitgedrukt als een percentage. Een ideale zonnecel gemaakt van één (min of meer) optimaal gekozen materiaal heeft een maximaal rendement van grofweg 30% heeft, onder normaal, d.w.z. niet-geconcentreerd zonlicht.

5. Waar worden zonnecellen van gemaakt?

Zonnecellen kunnen worden gemaakt van allerlei (halfgeleider)materialen, elk met specifieke voor- en nadelen. Daarbij gaat het om silicium en enkele andere materialen in de vorm van dunne zelfdragende plakken, dunne films op een drager en combinaties (stapelingen). Commercieel verkrijgbare zonnepanelen zijn gemaakt van silicium (ongeveer 95% van de wereldmarkt) en verschillende dunne films.

6. Wat zijn perovskieten?

Flexibele, semi-transparante perovskiet-module

Perovskieten zijn een nieuwe familie van materialen die in de wereld van zonne-energie voor grote opwinding hebben gezorgd. Het is het snelst groeiende onderzoeksgebied. Perovskieten worden in de werking van zonne-energie als dunne films toegepast en dat is op zichzelf niet nieuw, maar hun eigenschappen zijn heel bijzonder en leveren nog meer voordelen van zonne-energie op. Ze kunnen met snelle en in principe goedkope processen worden gedeponeerd op plastic, metaal of glas en in korte tijd hebben perovskietcellen in het laboratorium een rendement van ruim 25% bereikt.

Behalve voor ‘standaard’ panelen of folies zijn perovskieten ook geschikt voor heel efficiënte gestapelde cellen (tandems) en om gedeeltelijk lichtdoorlatende (semitransparante) panelen te maken, wat nieuwe toepassingen zoals zonneramen in zicht brengt. Zonnepanelen op basis van perovskiet zijn nog niet te koop, maar het is de verwachting dat ze in de loop van dit decennium op de markt zullen komen, waarschijnlijk eerst voor toepassingen die niet of moeilijk met bestaande technologieën kunnen worden bediend.

7. Wat is zonnewarmte?

Zonnepanelen worden onderscheiden van zonnecollectoren, die zonlicht omzetten in warmte, niet in elektriciteit. Zonnecollectoren worden dus gebruikt in zonnewarmtesystemen, zoals zonneboilers. Met sommige systemen kan zowel elektriciteit als warmte worden geproduceerd; denk in een eenvoudig geval aan een combinatie (stapeling) van een zonnepaneel en een zonnecollector, al kan de uitvoeringsvorm sterk variëren.

We spreken dan meestal van een PVT- (pv-thermisch) systeem of een hybride systeem. Het voordeel zonne-energie opwekken met dergelijke systemen is dat ze efficiënt gebruik maken van de beschikbare oppervlakken en in principe een heel hoog, gecombineerd rendement kunnen halen. De warmte die ieder zonnepaneel als bijproduct levert kan op die manier immers nuttig worden gebruikt.

8. Hoeveel zonne-energie hebben we nodig in Nederland?

Het totaal benodigde paneeloppervlak in 2050 zou volgens berekeningen van TNO 800 km2 bedragen. Het totale systeemoppervlak is groter dan dat en hangt af van de het soort systemen dat zou worden gebruikt (daken, gevels, voertuigen en grondgebonden systemen), maar zal zeker zo’n 1000 km2 bedragen. Dat is een aanzienlijk oppervlak en daarom is het belangrijk om de systemen zoveel mogelijk te integreren in bestaande objecten of om oppervlakken voor meerdere doelen tegelijk te gebruiken.

Verschillende vormen van zonnepanelen voor op daken en gevels

9. Hoe kunnen we zonne-energie opslaan?

Opslag kan plaatsvinden op het niveau van de panelen of het systeem of elders, denk aan de accu van de elektrische auto voor de deur. Omzetting van zonnestroom in warmte, al dan niet met (seizoens)opslag, of in een brandstof zijn andere mogelijkheden. Opslag en omzetting zijn mogelijkheden die in de loop van de tijd economisch aantrekkelijker worden.

10. Waarom worden zonneparken in de natuur gebouwd?

Zonne-energie op akkers, weilanden of andere terreinen in het buitengebied; het is een schrikbeeld voor veel mensen. Tegelijkertijd is het de goedkoopste vorm van zonnestroom en ligt daar een groot potentieel. Om de klimaatdoelen voor 2030 en 2050 te halen moeten we niet alleen véél doen, maar ook snél handelen.

Hoewel gebouwen en andere ‘harde oppervlakken’ nog veel plaatsingsruimte bieden is het grotendeels benutten daarvan technisch en deels ook economisch voorlopig nog minder aantrekkelijk. De snelheid die we daar kunnen maken is dus beperkt. Daarom kunnen we ons niet permitteren om belangrijke andere mogelijkheden vooraf helemaal af te schrijven.

11. Wat zijn de grootste uitdagingen bij zonne-energie op water?

Drijvende zonnepanelen op water

Het toepassen van zonne-energie op water is een grote technologische, economische en ecologische uitdaging. Technologisch, omdat de systemen bestand moeten zijn tegen zware storm en soms zeer hoge golven, omdat zeker zout water erg corrosief is en omdat vervuiling door vogels een groot probleem kan zijn. Economisch, omdat de systemen tegen soms extreme omstandigheden moeten kunnen en toch goedkoop genoeg moeten zijn om een bijdrage te kunnen leveren aan de energietransitie.

12. Wat zijn de uitdagingen bij zonne-energie van gebouwen?

Specifieke uitdagingen voor zonne-energie van gebouwen zijn ten eerste het beperkte draagvermogen van veel grote daken en ten tweede de esthetische, architectonische en bouwtechnische aspecten van de toepassing van zonne-energie op en in gebouwen. Om op maat gemaakte producten grootschalig en betaalbaar vervaardigen ontwikkelt TNO een productiemethode om zonnelaminaten in vrijwel elke gewenste vorm en maat te vervaardigen, zodat ze vervolgens in allerlei materialen en objecten kunnen worden verwerkt.

13. Zijn zonnepanelen te recyclen?

Zonne-energie is van zichzelf hernieuwbaar, maar niet automatisch volledig duurzaam en circulair. Weliswaar wordt het leeuwendeel van de zonnepanelen en andere componenten en materialen nu al hergebruikt maar nog niet alles en voor een deel ook in producten van lagere waarde (‘downcycling’). TNO doet onderzoek naar duurzame zonne-energie, waarvan recycling een onderdeel is.

14. Hoe is de geschiedenis van zonne-energie begonnen?

Hoewel het fotovoltaïsch effect dat aan de werking van zonnecellen ten grondslag ligt al in 1839 werd ontdekt, duurde het tot in de jaren ’50 van de vorige eeuw voordat er commercieel zonnecellen voor energietoepassingen konden worden geproduceerd. De uitvinding maakte het mogelijk om relatief efficiënte zonnecellen te maken met een goed bruikbaar proces.

In 1958 werd de eerste satelliet met siliciumzonnecellen gelanceerd: de Vanguard I. Siliciumzonnecellen werden snel efficiënter en kregen vooral vanaf de jaren ’70 gezelschap van zonnecellen gemaakt van andere materialen.

Meer weten over zonne-energie?

Lees de whitepaper ‘Zonne-energie op weg naar impact'

Meer lezen
Ons werk

Verantwoord zonnepark is zuinig op landschap en natuur

Over tien jaar wekt ons land naar verwachting vijf keer zoveel zonne-energie op als in 2020. Sommige scenario’s gaan ervan uit dat dat in 2050 bijna 20 keer zoveel is. Daarvoor is een forse uitrol van... Lees verder
Ons werk

Groeiend potentieel voor zonne-energie in bouw en infrastructuur

De oppervlakte die in Nederland kan worden benut voor het opwekken van zonne-energie is groot en groeiende. TNO ontwikkelt zonne-energieconcepten voor optimale integratie in de gebouwde omgeving: van daken,... Lees verder
Ons werk

Eerste auto's op zonne-energie dit jaar de weg op

De elektrische auto is dankzij een alsmaar groeiende actieradius definitief doorgebroken. Deze voertuigen kunnen nog duurzamer. Zonnecellen en -modules zijn een oplossing, niet alleen voor plug-in opladen,... Lees verder
Ons werk

Mass customization: zonne-energie betaalbaar, op maat en grootschalig

Op maat gemaakte producten grootschalig en betaalbaar vervaardigen. Het lijkt een tegenstelling, maar is toch de toekomst van zonne-energie. TNO ontwikkelde een productiemethode om zonnemodules in allerlei... Lees verder
Ons werk

Rendement zonnepanelen blijft stijgen waar kosten dalen

Zonne-energie is betaalbaar en betrouwbaar. De bekende panelen, vaak toegepast op daken, halen al jaren een uitstekend rendement. Toch is er nog veel winst te behalen. TNO verwacht dat het omzettingsrendement... Lees verder
Ons werk

Nieuwe technologieën maken pv veelzijdiger

Nog steeds vormt kristallijn silicium met een wereldwijd marktaandeel van 95% de basis voor de meeste (pv) zonnepanelen. Maar de potentie voor verdere verbetering en kostenverlaging is enorm. Met een garantie... Lees verder
Ons werk

Webinar #1: Zonne-energie op weg naar impact

Het hoofdonderwerp van het webinar op 4 maart 2021 was 'Zonne-energie op weg naar impact'. We bespraken de uitkomsten van de gelijknamige whitepaper en zoomen in op zonne-energie in het landschap en op... Lees verder
Roadmap

Innovatie en de opkomst van zonne-energie

De zon is een onuitputtelijke bron van energie voor al het leven op aarde. Sinds enkele decennia kunnen wij mensen het licht van deze ster omzetten in elektriciteit en warmte. Op termijn hoeven we daardoor... Lees verder
Contact

Prof. dr. Wim Sinke

Benieuwd hoe de toekomst van zonne-energie eruit ziet?

Welke keuzes hebben we bij het benutten van zonne-energie in de gebouwde omgeving?

Wat is er nog nodig op technologisch gebied?