De technologie van zonnepanelen: cellen, I-V-curve, bypassdiodes

Gids zonnepanelen installeren — hoofdstuk 2/16

Voor u ook maar iets dimensioneert of monteert, moet u begrijpen wat er in de module gebeurt: dat is de sleutel tot het lezen van technische fiches, het berekenen van strings en het diagnosticeren van pannes. Van de fotovoltaïsche cel (PN-junctie) tot het monokristallijne of polykristallijne paneel, via de I-V-curve (Voc, Isc, Mpp), de bypassdiodes en de degradatie in de tijd. Opgesteld door Atlas Contrôle, erkend keuringsorganisme BELAC ISO 17020 nr. 663-INSP.

Goed om weten: deze begrippen zijn niet louter theorie. De spanning van uw strings bij −10 °C — berekend uit de Voc en de temperatuurcoëfficiënt die u hier leert kennen — moet binnen het venster van de omvormer blijven. Het is een van de punten die worden nagekeken bij de AREI-keuring van uw fotovoltaïsche installatie.

Het fotovoltaïsch effect: de PN-junctie

Het fotovoltaïsch effect werd in 1839 ontdekt door Becquerel, maar de eerste concrete toepassingen dateren van 1954 met de hoogrendementscellen voor de ruimtevaart; daarna volgden de cellen met 9 % rendement (1958), het eerste zonnehuis (Delaware, 1973) en het eerste zonnevoertuig (Australië, 1983).

Het fysische principe past in enkele regels. Licht bestaat uit fotonen waarvan de energie overeenstemt met de golflengtes van het zonnespectrum. Wanneer een foton door het silicium wordt geabsorbeerd, exciteert het een elektron van een bezet energieniveau naar een onbezet niveau, en laat het een positief geladen ‘gat’ achter. In zuiver silicium recombineert dit elektron-gatpaar en gaat de energie gewoon verloren als warmte: er wordt geen bruikbare stroom geproduceerd. De hele kunst van de cel bestaat erin die ladingen vóór recombinatie te scheiden dankzij een PN-junctie:

silicium heeft 4 valentie-elektronen;
gedoteerd met fosfor (5 valentie-elektronen) heeft het een elektron te veel: dat is de laag van het type N;
gedoteerd met boor (3 valentie-elektronen) heeft het een elektron te weinig: dat is de laag van het type P.

Het elektrische veld dat aan de junctie tussen die twee lagen ontstaat, stuurt de door de fotonen vrijgemaakte elektronen naar de elektroden (het collectorrooster aan de voorzijde, het contact aan de achterzijde): er vloeit gelijkstroom zodra de cel wordt belicht. Een kristallijne siliciumcel levert een spanning van minder dan 0,7 V — minder dan een batterij — bij een stroom van meerdere ampère; het is de serieschakeling van de cellen, en daarna van de modules, die spanningen oplevert die de omvormer kan gebruiken.

Wat het zonneaanbod betreft, onthoudt u gewoon de twee grootteordes uit hoofdstuk 1: ongeveer 1.000 W/m² op de grond bij heldere hemel (de referentie-instraling van de testcondities), en in België 1 kWp naar het zuiden onder 35° helling ≈ 1.050 kWh/jaar, de referentiewaarde van alle productieberekeningen in de gids. Voor de details (zonneconstante, directe/diffuse/ gereflecteerde componenten, albedo) verwijzen we naar dat hoofdstuk 1.

Van zandkorrel tot afgewerkte module

De cel

De keten van het kristallijne silicium begint bij silica (zand), gereduceerd tot metallurgisch silicium en vervolgens gezuiverd. Het silicium wordt daarna gesmolten en gestold tot een ingot, in blokken gezaagd en dan versneden tot wafers (dunne plakken, typisch 156 × 156 mm voor de oudere generaties, groter vandaag). Elke wafer krijgt zijn dotering, zijn antireflectielaag en zijn metalen collectoren en wordt zo een afgewerkte cel.

De module: een sandwich in 5 lagen

De cellen worden twee aan twee met geleidende linten aan elkaar gesoldeerd tot kettingen (celstrings) en vervolgens ingekapseld. Een standaardmodule bestaat, van voor naar achter, uit:

een aluminium kader (geanodiseerd) met dichting;
gehard glas, doorgaans 3,2 mm, met hoge transmissie en laag ijzergehalte, vaak met antireflectiebehandeling;
twee EVA-folies (inkapseling) rond de cellen;
de onderling verbonden cellen;
een Tedlar-folie aan de achterzijde (module ‘glas-Tedlar’), vervangen door een tweede glasplaat bij glas-glasmodules.

De aansluitdoos aan de achterzijde (IP 67 tot IP 68 naargelang het product) herbergt de bypassdiodes — daarover verderop meer — en de twee uitgangskabels met connectoren, meestal MC4 (hun plaatsing komt aan bod in hoofdstuk 11, bekabeling). Er bestaan ook andere formaten voor bijzondere toepassingen: flexibele dunnefilmlaminaten (pv-dichtingsmembranen voor platte daken), rigide dunnefilm, semitransparante glas-glasmodules voor lichtstraten, zonnepannen en -leien voor integratie in de dakbedekking.

De module is maar één onderdeel van het geheel: omvormer, kasten, beveiligingen en teller passeren de revue in hoofdstuk 3, de onderdelen van de installatie.

Monokristallijn, polykristallijn, dunnefilm: de rendementen

Twee grote families verdelen de markt onder elkaar: de dunnefilmtechnologieën en het kristallijne silicium. De rendementen hieronder zijn indicatieve waarden (stand januari-november 2021); de markt evolueert snel en de beste residentiële modules overtreffen die waarden vandaag — kijk altijd de technische fiche na van de module die u effectief wordt aangeboden.

Technologie	Rendement (2021)	Kenmerken
Amorf silicium (a-Si)	6 tot 10 %	Op flexibele drager; gevoeliger voor diffuse straling, minder gevoelig voor beschaduwing
a-Si multijunctie	7 tot 9 %	Meerdere lagen die elk een deel van het spectrum opvangen
CIS / CIGS / CdTe	~10 % (CdTe 15,8 % in labo)	Dunnefilm; vangt een breder spectrum op dan kristallijn silicium
Polykristallijn silicium	17 tot 19 %	Blauwachtige cellen met zichtbare kristallen; verdwijnt stilaan van de markt
Monokristallijn silicium	21 tot 22 %	Egale donkere cellen; gevoeliger voor directe straling; de huidige standaard
Tandem / HIT (heterojunctie)	~21 %	Kristallijne wafer tussen amorfe dunne lagen: verbreed spectrum
Topsegment (type SunPower)	~22 %	Het plafond van de residentiële markt anno 2021

De evoluties die u op technische fiches herkent

n-PERT en p-PERC: verbeteringen aan het celproces van monokristallijne cellen die enkele tienden van een procent extra rendement opleveren.
Meer busbars (2, 5… tot 9 of 12 collectoren, of zelfs ronde draden type CELLO): de elektronen migreren makkelijker, het rendement stijgt.
Halve cellen (half-cut): een module met 120 halve cellen, bedraad in twee parallelle helften van 60, behoudt de spanning en de stroom van een klassieke module met 60 cellen, maar elke interne string ziet maar de helft van de stroom: de resistieve verliezen dalen en het gedrag bij beschaduwing verbetert (6 substrings in plaats van 3).
Bifaciale modules: ook de achterzijde produceert, met een bifacialiteitscoëfficiënt van 70 tot 90 % (p-PERC) tot 95 % (n-PERT, duurder). Winst van 10 tot 20 %, tot 30-40 % in optimale omstandigheden — de bodembedekking (albedo), de montagehoogte en de afwezigheid van schaduw op de achterzijde zijn bepalend.

Rendement van de cel ≠ rendement van de module

Verwar het rendement van de cel niet met het rendement van de module: de kwaliteit van het glas, de inkapseling en de dode zones kosten enkele punten. Het modulerendement wordt berekend als:

η = Pc / (S × Pf)

met Pc het piekvermogen (Wp), S de moduleoppervlakte (m²) en Pf = 1.000 W/m²

Een rekenvoorbeeld: een module van 200 Wp van 1,695 × 0,96 m (S = 1,6 m²) geeft η = 200 / 1.600 = 12,5 %. Ter vergelijking: de Jinko Tiger Neo 435 Wp (1.762 × 1.134 mm, 108 halve cellen N-type) uit het voorbeelddossier van hoofdstuk 16 haalt 21,77 %: zo groot is de weg die in één decennium is afgelegd.

De I-V-curve: Voc, Isc, Mpp en Fill Factor

Elke cel — en bij uitbreiding elke module — wordt beschreven door haar stroom-spanningscurve (I-V) en de kenmerkende punten ervan:

Isc

Kortsluitstroom

Snijpunt van de curve met de stroomas

Voc

Openklemspanning

Snijpunt van de curve met de spanningsas

Mpp

Maximaal vermogenspunt

De ‘knik’ waar U × I maximaal is (Umpp, Impp) — voortdurend opgevolgd door de MPPT van de omvormer

De Fill Factor (vulfactor) vergelijkt de rechthoek van het werkelijke vermogen met de theoretische rechthoek Isc × Voc:

FF = (Umpp × Impp) / (Voc × Isc)

Hoe dichter de FF bij 1 ligt, hoe beter de kwaliteit van de cel — het is een van de keuzecriteria voor een module.

Twee voorbeelden van technische fiches: een klassieke polykristallijne module van 250 Wp met 60 cellen (Voc = 37,90 V; Isc = 8,75 A; Vmpp = 30,40 V; Impp = 8,25 A) en de Jinko 435 Wp uit het voorbeelddossier (Voc = 39,36 V; Isc = 13,72 A; Vmpp = 32,78 V; Impp = 13,27 A) — vergelijkbare spanning, maar bijna dubbel zoveel stroom, met directe gevolgen voor de keuze van de omvormer (hoofdstuk 7) en van de kabels (hoofdstuk 11).

Uit het hoofd te kennen — het gedrag van schakelingen: in serie tellen de spanningen op (Ut = Σ U) en is de stroom gemeenschappelijk; in parallel tellen de stromen op (It = Σ I) en is de spanning gemeenschappelijk.

STC en NOCT: de testcondities lezen

De waarden op de technische fiches worden gemeten in genormaliseerde condities die u absoluut uit elkaar moet houden:

Parameter	STC	NOCT
Instraling	1.000 W/m²	800 W/m²
Air Mass	AM 1,5	AM 1,5
Celtemperatuur	25 °C	~40-45 °C naargelang de module
Wind	—	1 m/s

De STC (Standard Test Conditions) definiëren de wattpiek: het vermogen dat in de fabriek wordt geflasht en dat op een Belgisch dak nooit duurzaam wordt gehaald. De NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) karakteriseert de temperatuur die de cel bereikt in omstandigheden die dichter bij de realiteit liggen; ze staat op de technische fiche (44 tot 45 ± 2 °C voor de modules uit onze voorbeelden en het voorbeelddossier) en het bijbehorende vermogen ligt beduidend lager: de Jinko van 435 Wp STC haalt in NOCT-condities maar 327 Wp. Een lage NOCT wijst op een goede warmteafvoer — een keuzecriterium.

Temperatuur en instraling: de twee basisregels

Twee regels leest u rechtstreeks af op de I-V-curves:

☀️ De instraling stuurt de stroom

Isc is nagenoeg evenredig met de lichtsterkte (≈ 3 A bij 1.000 W/m² → ≈ 0,6 A bij 200 W/m² op de voorbeeldmodule); de spanning varieert daarentegen weinig.

🌡️ De temperatuur stuurt de spanning

Stijgt de celtemperatuur, dan daalt Voc merkbaar, terwijl de stroom vrijwel constant blijft (hij stijgt zelfs héél licht).

Veiligheidsgevolg: er staat al spanning op bij het eerste ochtendlicht. Vanaf 50 tot 100 W/m² bereikt Voc nagenoeg zijn nominale waarde. Een pv-veld is overdag nooit ‘spanningsloos’, zelfs bij zwaar bewolkte hemel. Dit punt komt terug in de hoofdstukken veiligheid (hoofdstuk 9) en montage (hoofdstuk 10).

De temperatuurcoëfficiënten

De technische fiches kwantificeren die effecten met de temperatuurcoëfficiënten: TC Isc (licht positief, bv. +0,05 %/K), TC Voc (negatief, bv. −0,335 %/K) en TC Pmpp (bv. −0,440 %/K). Let op de klassieke valkuil: de coëfficiënt wordt nu eens in mV/°C gegeven (bv. −121 mV/°C), dan weer in % van Voc per K — reken altijd om naar V/°C vóór u rekent:

U(t°) = U₂₅ + (temperatuurcoëfficiënt van Voc × Δt°)

Uitgewerkt voorbeeld met een module van 250 Wp (Voc = 37,90 V; TC Voc = −0,335 %/K): (−0,335 × 37,90)/100 = −0,127 V/°C, dus Voc bij +40 °C = 37,90 + (−0,127 × 15) = 35,99 V.

In België dimensioneert men de strings op de conventionele extreme celtemperaturen: −10 °C (maximale spanning, zonnige winterdag) en +70 °C (minimale spanning, zomer). Het voorbeelddossier past de methode toe op de Jinko 435 Wp (TC Voc = −0,25 %/°C, ofwel −0,0984 V/°C): Voc(−10°) = 42,8 V, Umpp(−10°) = 36,22 V, Umpp(+70°) = 28,35 V. Die drie waarden, vermenigvuldigd met het aantal modules in serie, moeten binnen het venster van de omvormer blijven — hoofdstuk 7, gewijd aan de dimensionering van de omvormer, gaat er dieper op in.

Beschaduwing en bypassdiodes

Een beschaduwde cel produceert niet alleen minder: doorlopen door de stroom van de andere cellen in de string gedraagt ze zich als een verbruiker, remt ze de hele string af en warmt ze op (hotspot). De bypassdiodes in de aansluitdoos sluiten de betrokken groep cellen kort (ongeveer 20 cellen per diode, typisch 3 diodes per module met 60 cellen): de I-V-curve krijgt een ‘trapvorm’, maar de rest van de module blijft leveren. De vergelijkende curves spreken voor zich: met schaduw en bypass blijft het verlies gedeeltelijk; zonder bypass stort het vermogen in.

Praktische gevolgen:

het aantal bypassdiodes is een keuzecriterium voor de module;
de oriëntatie van de module ten opzichte van de schaduw telt: een horizontale schaduw (dakrand, rand van een schouw) die alle bypassgroepen doorkruist, legt de hele module lam, terwijl een doordachte plaatsing maar één groep opoffert;
halfcelmodules (half-cut) beperken structureel de impact van gedeeltelijke beschaduwing;
sneeuw betekent in België gemiddeld zowat 0,5 % productieverlies per jaar.

De schaduwstudie (zonnebaandiagram van Ukkel, metingen ter plaatse) maakt deel uit van het technische plaatsbezoek en wordt behandeld samen met de dimensionering van de installatie (hoofdstuk 6).

Vermogenstolerantie, levensduur en degradatie

Vermogenstolerantie

Ze drukt de toegelaten afwijking uit tussen het geflashte en het nominale vermogen. Oudere modules hadden symmetrische toleranties (± 5 %); kwaliteitsvolle huidige modules bieden een uitsluitend positieve tolerantie (bv. 0 ~ +3 % voor de Jinko uit het voorbeelddossier): u krijgt minstens het nominale vermogen. Voor ons is het een expliciet keuzecriterium, net als de kostprijs per Wp, de Fill Factor, de NOCT, het aantal bypassdiodes, de glaskwaliteit en de temperatuurcoëfficiënt van Voc.

Levensduur en degradatie van het paneel

Voor mono- en polykristallijne modules houden we als vuistregels aan:

fabricagegarantie: doorgaans 10 tot 20 jaar (de huidige markt gaat tot 25 jaar, zoals de Jinko uit het voorbeelddossier);
jaarlijkse productiedegradatie: 0,5 tot 0,8 %/jaar, ofwel ongeveer 90 % van de initiële productie na 12 jaar, 85 % na 20 jaar en 80 % na 25-30 jaar;
een voorzichtige rekenhypothese voor langetermijnbalansen is −0,7 %/jaar over 25 jaar.

Recente modules doen beter: de lineaire garantie van de Jinko Tiger Neo belooft 0,40 %/jaar over 30 jaar, ofwel 87,4 % van het initiële vermogen na 30 jaar. Vergelijk de lineaire garantiecurves op het moment van de offerte, en wees op uw hoede voor lange garanties bij fragiele merken.

Evoluerende situatie: wat de rentabiliteit betreft (premies, injectietarieven, compensatie) vindt u de gewestelijke regimes — toestand juli 2026 — in hoofdstuk 4 (regelgevend kader) en hoofdstuk 8 (kostprijs en terugverdientijd).

Onthoud

Een cel = een PN-junctie (silicium gedoteerd met fosfor/boor) die minder dan 0,7 V levert; de cellen staan in serie in de module, de modules in serie in de string (de spanningen tellen op, de stroom is gemeenschappelijk).
STC (1.000 W/m², AM 1,5, 25 °C) definieert de wattpiek; de NOCT (800 W/m², wind 1 m/s) weerspiegelt de reële werking — in België: 1 kWp zuid 35° ≈ 1.050 kWh/jaar.
Op de I-V-curve: de instraling stuurt de stroom, de temperatuur stuurt de spanning; er staat al spanning op bij het eerste ochtendlicht (veiligheid). FF = (Umpp × Impp)/(Voc × Isc), zo dicht mogelijk bij 1.
De temperatuurcoëfficiënt van Voc is negatief (bv. −0,335 %/K); reken hem om naar V/°C en bereken de stringspanningen bij −10 °C en +70 °C, de Belgische conventionele extremen.
De bypassdiodes (≈ 1 per 20 cellen) beperken de schaduwverliezen; hun aantal, de plaatsing ten opzichte van de schaduwen en halfcel-/bifaciale modules maken het verschil op het terrein.
Typische degradatie 0,5-0,8 %/jaar (0,40 %/jaar voor de beste recente modules); kies voor positieve vermogenstoleranties (0/+3 %) en lange, geloofwaardige product- en vermogensgaranties.

Uw fotovoltaïsche installatie moet gekeurd worden

Vóór de indienststelling moet elke pv-installatie een AREI-keuring ondergaan door een erkend keuringsorganisme. Atlas Contrôle verkoopt noch installeert zonnepanelen: wij keuren uw installatie in alle onafhankelijkheid en leveren het officiële keuringsverslag af.

→ De keuring van zonnepanelen Offerte aanvragen

Veelgestelde vragen

Monokristallijn of polykristallijn zonnepaneel: welke kiezen? ▼

Monokristallijn (egale donkere cellen) haalt een rendement van zowat 21 tot 22 %, tegenover 17 tot 19 % voor polykristallijn (blauwachtige cellen met zichtbare kristallen) — cijfers van 2021; de beste huidige modules doen nog beter. Polykristallijn verdwijnt bovendien stilaan van de markt: in de praktijk stelt de vraag zich nauwelijks nog, monokristallijn is de standaard geworden. Vergelijk liever monokristallijne modules onderling: rendement, vermogenstolerantie, temperatuurcoëfficiënt van Voc, aantal bypassdiodes en lineaire garantie.

Wat betekenen Voc, Isc en Mpp op de technische fiche van een paneel? ▼

Het zijn de kenmerkende punten van de stroom-spanningscurve (I-V) van de module. Voc (of Uoc) is de openklemspanning, gemeten zonder aangesloten belasting. Isc (of Icc) is de kortsluitstroom. Mpp (Maximum Power Point) is het punt in de ‘knik’ van de curve waar het product spanning × stroom maximaal is, bepaald door Umpp en Impp: dat punt volgt de omvormer voortdurend dankzij zijn MPPT-functie. De Fill Factor FF = (Umpp × Impp) / (Voc × Isc) meet de kwaliteit van de cel: hoe dichter bij 1, hoe beter de module.

Waarvoor dient een bypassdiode in een zonnepaneel? ▼

Een beschaduwde cel produceert niet alleen minder: doorlopen door de stroom van de andere cellen gedraagt ze zich als een verbruiker, remt ze de hele string af en warmt ze op (hotspot). De bypassdiodes, ondergebracht in de aansluitdoos, sluiten de betrokken groep cellen kort — ongeveer 20 cellen per diode, typisch 3 diodes voor een module met 60 cellen. De rest van de module blijft dan leveren. Het aantal bypassdiodes is dus een keuzecriterium, en de oriëntatie van de module ten opzichte van de schaduwen telt: een schaduw die de drie groepen doorkruist, legt de hele module lam.

Hoeveel bedraagt de jaarlijkse degradatie van een zonnepaneel? ▼

Als ordegrootte rekent men met 0,5 tot 0,8 % productieverlies per jaar voor kristallijne modules, ofwel ongeveer 90 % van de initiële productie na 12 jaar, 85 % na 20 jaar en 80 % na 25-30 jaar; een voorzichtige rekenhypothese voor langetermijnbalansen is −0,7 %/jaar over 25 jaar. Recente modules doen beter: sommige kondigen een lineaire garantie van 0,40 %/jaar over 30 jaar aan, ofwel nog 87,4 % van het initiële vermogen na 30 jaar. Vergelijk de lineaire garantiecurves op het moment van de offerte — en wees op uw hoede voor zeer lange garanties bij fragiele merken.

Staat een zonnepaneel nog onder spanning bij bewolkt weer? ▼

Ja. Op de I-V-curve stuurt de instraling de stroom; de spanning varieert nauwelijks met de lichtsterkte. Vanaf 50 tot 100 W/m² — het eerste ochtendlicht of een zwaar bewolkte hemel — bereikt de openklemspanning Voc nagenoeg haar nominale waarde. Een fotovoltaïsch veld is overdag dus nooit ‘spanningsloos’: u kunt het niet uitschakelen door op een wolk te wachten. Dat is een fundamenteel veiligheidspunt bij elke interventie aan de gelijkstroomzijde, en een van de bestaansredenen van de bekabelings- en scheidingsregels die bij de AREI-keuring worden nagekeken.

Verder lezen

☀️