solceller

Cellen baseres på fotovoltaisk effekt, hvor lys med høy nok energi kan eksitere elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet, slik at de kan bevege seg fritt i materialet.

I solceller brukes et halvledermateriale som består av to deler: en del er dopet med atomer med flere elektroner, slik at det har ekstra elektroner (n-type), mens den andre er dopet med atomer med færre elektroner (p-type). Når disse settes sammen, oppstår en pn-overgang. Her vil elektroner fra n-typen fylle de tomme plassene (kalt hull) i p-typen. Dette skaper et elektrisk felt, som etter hvert stopper denne strømmen av elektroner, og gjør at elektroner ikke kan bevege seg over pn-overgangen lenger. Dette gjør solcellen til en diode, og gjør at elektronene må gjennom en ekstern krets for å komme til den andre siden, som utnyttes ved å koble solcellen på strømnettet.

Det virksomme lyset har bølgelengder kortere enn cirka én mikrometer (μm); det mer langbølgede lyset filtreres bort, fordi det leder til uønsket oppvarming. For å få stor nok effekt til satellitter, og enda mer for kommersielle anvendelser, må et stort antall solceller kombineres og monteres som store paneler. Ved anvendelser i verdensrommet må disse kunne foldes ut.

Det vanligste halvledermaterialet for solceller er krystallinsk silisium, som utgjør 90-95 prosent av markedsandelen for solceller. Silisium brukes både i multikrystallinske (med mange små krystaller) og monokrystallinske (med én stor krystall) solceller. Monokrystallinske solceller har høyere virkningsgrad enn multikrystallinske, og tar derfor over markedsandelen.

Tynnfilmsolceller er en type solceller som bare er noen mikrometer (µm) tykke. Dette gjør materialbruken mindre, og gjør det mulig å lage bøyelige solceller. De mest brukte materialene er kadmiumtellurid (CdTe) og kobber-indium-gallium-disenelid (CIGS).

Halvledermaterialene med høyest virkningsgrad er bygget opp av grunnstoffer i gruppe 13 (hovedgruppe III) og 15 (hovedgruppe V) i det periodiske system, og kalles derfor III-V-celler. Eksempler på disse er galliumarsenid (GaAs) og indiumfosfid (InP). Disse er derimot svært dyre, og brukes mest til anvendelser i verdensrommet.

For å maksimere virkningsgraden kan man benytte en annen type solcelle, kalt tandem-solcelle. Her blir to eller flere cellelag med ulike materialegenskaper lagt over hverandre, der de øverste lagene absorberer det mest kortbølgete lyset og de underste mer langbølget lys. Slike celler utnytter sollyset mer effektivt ved at de samlet absorberer en større del av lysspekteret. Med disse cellene har man oppnådd en virkningsgrad på mer enn 40 prosent.

Perovskitter er en ny type materialer som har blitt brukt i solceller. Disse har oppnådd den samme virkningsgraden som silisiumsolceller. De er bedre enn silisium til å absorbere lys, og det kan derfor brukes mindre materiale. Det kan lages ulike perovskitter med forskjellige båndgap, som kan brukes sammen i tandemceller. Perovskitt har også et båndgap som gjør det spesielt nyttig å bruke sammen med silisium i en tandemcelle. Denne typen tandemcelle har oppnådd en virkningsgrad på 34 prosent.

Organiske ledende materialer kan også brukes til å lage solceller. Disse er lettere, kan bøyes, kan lages gjennomsiktige, og er billigere enn andre typer solceller. De beste organiske solcellene har oppnådd en virkninsgrad på 19 prosent.

I en fargestoffsolcelle vil elektroner i et fargestoff, som har kontakt med en elektrode, bli eksitert av lys. Elektronene går dermed i en ekstern krets til en motsatt ladet elektrode, og ut i en elektrolytt, hvor elektronet blir fraktet tilbake til fargestoffet, som i et batteri. En virkningsgrad på 13 prosent har blitt oppnådd for denne typen solceller.

For å lage en silisiumsolcelle, trenger man svært rent silisium. Dette kan lages ved følgende prosess:

• Kvartssand (SiO₂) reduseres med grafitt ved høye temperaturer (1800 °C).
• Silisium reagerer med saltsyre og danner triklorosilan.
• Triklorosilan blandes sammen med hydrogen og varmes opp til 1100°C i en prosess kalt Siemensprosessen, og det dannes blant annet silisium.
• Silisium smeltes i en smeltedigel, og monokrystallinsk silisium lages ved hjelp av Czochralski-metoden. For å lage dopet silisium, tilsettes andre stoffer til det smeltede silisiumet. En silisiumkrystall dyppes i smelten, og tas ut, slik at silisium kan størkne og krystalliseres på samme måte som i krystallen.
• Den ferdige silisiumkrystallen skjæres ut i tynne skiver (wafere) ved hjelp av en wiresag. Tidligere ble en stålsag med tykkelse på 100–140 µm brukt, men i dag brukes stort sett bånd på 35 µm med diamantpartikler for å miste minst mulig silisium i sageprosessen.

Wafere med ulik doping vil deretter settes sammen til celler. På toppen legges et antireflektivt belegg, i tillegg til at en leder, som regel laget av sølv, vil legges på for å lede elektronene ut til den eksterne kretsen. Flere wafere kobles sammen til en modul, som beskyttes av en ramme og en glassplate på hver side.

Effektiviteten til solceller angis ved virkningsgrad, som er forholdet mellom produsert elektrisk energi og innfallende solenergi. Med den teknologien som er rådende i dag, er den teoretisk øvre grensen for virkningsgraden rundt 30 prosent for enkeltcelle-solceller, men i praksis ligger den mellom 15 og 25 prosent. For multikrystallinske celler ligger virkningsgraden 4–5 prosent lavere enn de monokrystallinske. Det er bygget kommersielle systemer som mottar konsentrert sollys fra krumme reflektorer med en virkningsgrad på 26 prosent, og i laboratorieforsøk har en oppnådd en virkningsgrad på 48 prosent ved konsentrert sollys og tandemceller.

Temperatur har en stor innvirkning på virkningsgraden til solceller. Effekttapet til en solcelle over 25 grader er gitt ved temperaturkoeffisienten. For de fleste ulike typer silisiumceller ligger koeffisienten rundt 0,5 prosent til 0,25 prosent per grad Celsius. Dette betyr i praksis at solcellen taper 1 prosent virkningsgrad for hver andre grad over 25 grader.

Solceller som kan absorbere alle bølgelengder som sollyset består av, vil ha en virkningsgrad på rundt 85 prosent. I en tandem solcelle med to lag kan man teoretisk oppnå en virkningsgrad på 45 prosent. Foreløpig er slike celler laget med en virkningsgrad på opptil 33 prosent.

Ved jordatmosfærens yttergrense har solstrålingen en intensitet på rundt 1370 watt per kvadratmeter (W/m²). I klarvær blir denne redusert til om lag 1000 W/m² ved Jordens overflate. For å innfange solenergi av noen betydning vil det følgelig kreves betydelige arealer. Ved lette, utfoldbare paneler er ytelses-/vektforholdet opptil 100 watt/kg.

For konvensjonelle anvendelser er prisforholdet for solceller avgjørende. De senere års masseproduksjon av solceller har ført til et kraftig fall i produksjonskostnadene. I 2019 ble solceller omsatt for 0,38 USD/watt, mot 106,1 USD/watt i 1976. Prisen på silisium har også i senere tid falt dramatisk, noe som bremser utviklingen av tynnfilmceller og andre alternative teknologier.

Den teoretiske effekten til solceller med en p-n-overgang er beskrevet av «Shockley-Queisser»-grensen.

«Shockley Queisser-grensen» beskriver den teoretiske grensen for effektivitet for en gitt båndgap-energi for solceller med en p-n-overgang. Båndgap-energi er motstanden i p-n-overgangen, eller arbeidet som trengs for å flytte et elektron fra valensbåndet til ledningsbåndet. Denne modellen er basert på flere antagelser, som minimaliserer tapet i solcellen.

Temperaturen i solcellen er konstant under operasjon, slik at tap assosiert med varme unngås. Fotoner med energi under båndgapet påvirker ikke solcellen, mens når solcellen absorberer et foton over båndgapet, blir den ekstra energien konvertert til varme ved at elektronene relakserer ned til ledningsbåndet.

Når solcellen absorberer et foton, eksiteres et elektron til ledningsbåndet, og et hull faller ned til valensbåndet som får strømmen til å gå, men den motsatte prosessen skjer også. Elektroner og hull kombineres og et foton emitteres (sendes ut) fra solcellen, lignende som LED-er. Dette kalles rekombinasjon. Videre kan noen av de emitterte fotonene re-absorberes, gitt at energien er høyere eller lik båndgap-energien.

I Shockley Queisser-modellen er den eneste rekombinasjonsprosessen som er tillatt i solceller, såkalt utstrålende rekombinasjon. I typisk multikrystallinsk silisium-solceller har man rekombinasjonsprosesser som ikke produserer foton, men et fonon, eller varme i systemet. Dette vil skje i alle typer solceller, men multikrystallinsk silisium har korngrenser som gjør at denne kombinasjonsprosessen forekommer oftere. Dette er en av grunnene til differansen i effektivitet mellom multikrystallinske og monokrystallinske silisium-solceller.

Alle disse prosessene går sammen til å gi en maksimal teoretisk effektivitet på litt over 30 prosent for en båndgap-energi på 1,1 elektronvolt. Dette er en av grunnene til at silisium er det vanligste materialet brukt for enkeltcelle-solceller, ettersom båndgapet til en silisium-diode som brukes til solceller ligger på rundt 1,2 elektronvolt.

Denne grensen fungerer som en øvre grense for silisiumsolceller, hvor mye av forskningen er rettet mot å komme så nær denne grensen som mulig. Tandem- og «multijunction»-solceller er eksempler på ulike metoder for å komme seg rundt denne grensen.

Solcellesystemer finnes i størrelsesorden fra brøkdeler av en watt til kraftverk med en effekt på flere megawatt (MW). De minste systemene finnes innbygd i et produkt, for eksempel en kalkulator eller en utelampe.

For generell strømforsyning kan en skille mellom frittstående systemer som leverer strøm til en hytte, en husholdning eller en landsby. Frittstående systemer krever alltid et energilager, og her har blyakkumulator-batterier vært den dominerende teknologien, men utfordres nå av nyere batterityper, som litiumionbatteriet. Frittstående systemer brukes også til andre formål der nettilknytning eller generatorstrøm er for kostbar eller umulig (for eksempel innen romfart). Nettilknyttede systemer spenner fra anlegg integrert i et bolighus som kan levere vekselstrøm til elnettet i overskuddsperioder og der det kjøpes strøm i perioder med lite sol, til sentraliserte solkraftverk med en installert effekt på mange megawatt.

• solenergi
• solkraftverk
• fotodiode
• fotoelektrisk effekt
• mellombåndsolcelle