Solceller i praksis

Solceller montert på tak.

Solceller i praksis

Solceller er lysfølsomme halvlederdioder som omdanner lys til elektrisk strøm. Solceller benyttes som kraftforsyning til satellitter, romfartøy, fotoutstyr og i stadig større grad til generell kraftforsyning basert på solenergi.

Virkemåte

Solcelle (tegning)

En solcelle består av to silisiumhalvledere mellom to elektroder (metallkontakter). De positive ladningene samles på den ene av halvlederne (1), de negative på den andre (2). Når lys, (fotoner, 3) treffer p–n-overgangen mellom de to halvlederne (4), vil de erstatte elektronene på den positive halvlederen. Det dannes dermed elektrisk strøm. Metallkontaktene (5) forbinder de to ladede områdene.

Av /Store norske leksikon ※.

Cellen baseres på fotovoltaisk effekt, hvor halvledermaterialet er plassert mellom to elektroder. Det virksomme lyset har bølgelengder kortere enn cirka én mikrometer (μm); det mer langbølgende 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, som ved romanvendelsene må være utfoldbare.

Det vanligste halvledermaterialet for solceller er krystallinsk silisium. Tynne skiver (wafere) sages ut av silisumblokker som enten består av én krystall eller flere individuelle krystaller, herav monokrystallinske og multikrystallinske celler. Wafere kan også produseres ved at halvledermateriale dampes på en plate av glass, stål eller plast. Slik tynnfilmteknologi utgjør en mer komplisert produksjonsprosess, men betyr en innsparing av dyrt halvledermateriale. Det forskes på ulike typer aktivt materiale i tynnfilmceller, mest brukt er kadmiumtellurid (CdTe) og kobber-indium-gallium-disenelid (CIGS).

I en annen type solcelle, kalt tandem solcelle, blir to cellelag med ulike materialegenskaper lagt over hverandre, der den øverste absorberer kortbølget lys og den underste mer langbølget. Slike celler utnytter sollyset mer effektivt ved at de samlet absorberer en større del av lysspekteret.

Virkningsgrad

Effektiviteten til solceller angis med en 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 40 prosent ved konsentrert sollys.

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. 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 kan man teoretisk oppnå en virkningsgrad på 40 prosent. Foreløpig er slike celler laget med en virkningsgrad på opptil 32,5 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.

Teoretisk virkningsgrad

Den teoretiske effektiviteten til solceller med et båndgap
Shockley quisser grensen for ulike båndgaps energier. Topp-punktet på grafen ligger på båndgapenergi på 1.34 eV, hvor silisium har ca 1,2 eV.
Den teoretiske effektiviteten til solceller med et båndgap
Lisens: CC BY SA 3.0

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 du 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. Det er en av grunnene til at vi ser en differanse 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 enkelt celle 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.

Anvendelse

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. Frittstående systemer brukes også til andre formål der nettilknytning eller generatorstrøm er for kostbar eller umulig (for eksempel innen romfart). Netttilknyttede 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.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer (3)

skrev Krister Mangersnes

Avsnittet om virkningsgrad er litt vel kort og i beste fall upresist. Effektiviteten av SILISIUMsolceller med én innebygget p-n diode er teoretisk ca 30% (Shockley-Queisser grensen). Solceller basert på andre materialer har andre teoretiske effektivitetsgrenser. De fleste mer eksoktiske varianter (for eksempel såkalte "multi-junction", altså fler-diode, celler) både med og uten silisium, har langt høyere teoretisk virkningsgrad. Beste oppnådde effektivitet for en "enkel" silisium solcelle er 25 %. I produksjon ligger de beste cellene på opp mot 24 %. Dette er celler av såkalt monokrystallinsk silisium. For flerkrystallinsk silisium ligger det repsektive effektivitetene 4-5 % lavere (20.4 % som rekord)

skrev Knut A. Rosvold

Artikkelen bør oppdateres og lenken er død.

svarte Mari Paus

Hei! Takk for innspillet. Jeg har oppdatert lenken nå. En oppdatering av artikkelen må desverre vente til vi har en fagansvarlig på plass. Mvh. Mari Paus

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg