Sólarsella

Sólarsella, ljósspennurafhlaða eða sólarrafhlaða er sá hlutur sem breytir sólarorku beint yfir í raforku með svokallaðri ljósspennuaðferð. Algengast er að sólarsellur séu aðallega úr kísil (Si), annað algengasta efni jarðskorpunnar. Aðal notkun sólarsella nú til dags er á afskekktum stöðum þar sem annars konar raforkuframleiðsla myndi vera of dýr. Stór sólar-raforkuver eru hins vegar einnig til staðar í löndum eins og Bandaríkjunum, Þýskalandi, Ítalíu, Spáni og Sviss. Sólar-raforkuver eru mjög mismunand af stærð og gerð. Þau hafa uppsett afl frá 10-60 MW en gert er ráð fyrir um 150 MW sólarraforkuveri á næstu árum.

Saga sólarsella.

Ljósspenna, það er að segja spenna sem fæst úr ljósi var fyrst uppgötvuð árið 1839 af franska eðlisfræðingnum Edmond Becquerel. Í tilraun sinni komst hann að því að batterí með silfurplötu gæfu meiri spennu ef að ljós skini á plöturnar. Árið 1883 bjó Charles Edgar Fritts til fyrstu sólarselluna úr selenium sem er í grunnatriðum eins og kísil — sólarsellur nútímans. Sú sólarsella var samansett úr þunnri selenium flögu þakin þunnu neti af gullvírum og glerplötu. Með þessari sólarsellu fékkst um 1% nýting (hlutfall sólarorku sem breytt er í rafmagn). Á 5. áratug 20. aldar fóru sólarsellurnar að taka stórstigum framförum á nýtingu sólarorkunnar með tilkomu hálfleiðara.

Kísilplata sem var dópuð, var fundin upp 1948, gaf mun meiri nýtni heldur en fyrri sólarsellur eða um 6% nýtni.

Árið 1958 var síðan fyrsta sólarsellan notuð sem orkulind á gervihnetti. Á síðustu áratugum 20. aldar hafa hins vegar sólarsellur þróast mikið bæði með lækkun framleiðslukostnaðar og nýtni.

Kísil sólarsella.

Fræði.

Undirstaða sólarsellu er samskeyti milli tveggja platna úr tveimur mismunandi hálfleiðurum, n-leiðara (negative) og p-leiðara (positive) sem saman mynda pn-skeyti. Þessir hálfleiðiarar eru oftast geriðir úr kísli en einnig eru til hálfleiðarar úr öðrum efnum. N-leiðarinn er dópaður með litlum „óhreinum“ ögnum. Dópefni n-leiðara er í flokki 3A í lotukerfinu t.d. bróm. Dópun bætir eiginleika hálfleiðara þar sem holur myndast í n-hálfleiðaranum. Í p-hálfleiðaranum er hann dópaður með frumefni sem er í 5A flokki, t.d. arsen þannig að þéttleiki frjálsra rafeinda í n-leiðaranum er mun meira en í p-leiðaranum. Þegar skeytt er saman hálfleiðurum með annars vegar n-leiðni og hins vegar p-leiðni eru mynduð svonefnd pn-skeyti. Á sama hátt eru holuþéttleiki mun hærri í p-leiðandi efninu en í n-leiðandi efninu.

Þegar efnunum er skeytt saman flæða rafeindir frá n-leiðandi svæðinu inn á p-svæðið og holur frá p-svæðinu inn á n-svæðið. Þessi hleðslutilfærsla leiðir til þess að næst samskeytunum myndast svæði sem snautt er af hleðsluberum. Eftir sitja jónaðar rafgjafaveilur í n-leiðandi efninu og jónaðar rafþegaveilur í p-leiðandi efninu, sem eru ekki jafnaðar með frjálsum hleðsluberum. Vegna þessa myndast við skeytin snertispenna, innra rafsvið, sem vinnur á móti frekara flæði rafeinda frá n-leiðandi efninu og hola frá p-leiðandi efninu. Í jafnvægi eru heildarstraumar rafeinda annars vegar og hola hins vegar núll.

Ef ljósi er nú beint að pn-skeyti raskast jafnvægið. Þegar ljóseind sem hefur nægilega orku fer um ljósspennurafhlaðið myndast par rafeindar og holu. Ef parið myndast í bilinu þar sem engir hleðsluberar eru leiðir rafsviðið til aðskilnaðar rafeindar og holu. Þannig myndast frjáls rafeind og hola sem geta tekið þátt í leiðniferlinu; rafstraumur kemur til sögu. Rafeindirnar safnast í n-svæðið og holurnar í p-svæðið.

Hleðsluberar sem eru myndaðir utan berasnauða bilsins verða að sveima að samskeytunum. Mest af ljósinu er gleypt nærri yfirborðinu þar sem ljósið kemur inn. Það er þess vegna mikilvægt að samskeytin séu nærri yfirborðinu svo að víkjandi hleðsluberinn (hola í n-efni) nái að samskeytunum áður en hún sameinast rafeind.

Til að sem mestu ljósi sé breytt í raforku þarf að hanna ljósspennurafhlaðið með sem stærstum samskeytafleti næst yfirborðinu. Enn fremur þarf dýpt inn að skeytunum frá yfirborðinu að vera minni en sveimlengd víkjandi bera (hola í n-leiðandi efni). Ef leiðari er tengdur við rafhlaðið getur runnið straumur sem getur til dæmis hlaðið rafhlöðu eða kveikt á ljósaperu.

Ljóseind sem hefur orku sem er minni en orkugeil efnisins hefur engin áhrif á rafhlaðið. Ljóseind sem hefur orku sem er hærri en sem nemur orkugeil efnisins leggur hins vegar sitt af mörkum til straumsins frá rafhlaðinu.

Gerðir kísilsólarsella.

Eins og staðan er í dag þá eru kísilsólarsellur langstærstu hluti af framleiddum sólarsellum og þá sérstaklega í kristalformi en einnig í ómótuðum kísli. Einnig eru miklir möguleikar á lækkun á framleiðslukostnaði í framtíðinni.

Einkristallaðar kísilsellur.

Einkristallaðar kísilsellur (e. "monocrystalline silicon cells") eru samfelldur kísilkristall strúktur með nánast engum göllum eða óhreinindum. Slíkur kísill er oftast búinn til í ferli sem kallast Czochralski ferlið og eru með mjög háa nýtni en framleiðslan tekur mjög langan tíma og er dýr. Einnig er framleiðsluferlið mjög orkukreft.

Fjölkristallaðar kísilsellur.

Fjölkristallaðar kísilsellur (e. "polycrystaline silicon cells") eru samsettar úr litlum einkristalla kornum. Fjölkristallaðar kísil sólarsellur eru auðveldari og ódýrari í framleiðslu en hafa hins vegar lægri nýtni vegna þess að rafeindir og holur geta sameinast aftur milli einkristallskornanna. Hægt að er laga það að hluta til með því að hafa kornin stærri. Besta nýtnin á fjölkristalla kísil sellum er um 14%.

Þunnfilmu PV.

Þunnfilmu sólarsellur (e. "thin-film solar cells") eru úr ómótuðum kísli (e. amorphous silicon) en hann myndar ekki kristalgrind. Slíkur kísill var fyrst notað í sólarsellu árið 1976. Slíkar sellur eru ekki með hið hefðbundna P-N samskeyti heldur P-i-N samskeyti þar sem þykk filma af ómótuðum kísli er á milli þunna P-lagsins og N-lagsins. Þessi gerð er ódýrari í framleiðslu en kristals-kísil sellurnar og ekki eins orkufrek þar sem lægri hita þarf til að framleiða þessa gerð. En nýtnin er aftur á móti slakari og er oftast á bilinu 4-8%. Þessar gerðir sólarsellu er víða notaðar, til dæmis í rafhlöðum þar sem verð skiptir meira máli en nýtni.

Aðrar gerðir.

Galíumarseníð.

Til eru aðrar gerðir af sólarsellum en kísill, til dæmis er hægt að nota galíumarseníd (GaAs) sem hálfleiðara í sellunni. Galíum hefur kristalbyggingu eins og kísil og er mjög ljósgleypið efni og þar af leiðandi þar af leiðandi þarf ekki nema þunnt lag af efninu. Sólarsellur úr GaAs eru semsagt með betri nýtni en einkristallaðar kísil-sólarsellur og virka við hærri hita en aðrar sellur. Aftur á móti er þessi gerð ein sú dýrasta sem til er og er þess vegna ekki notuð nema þar sem mjög mikla nýtni þarf að fást eins og útí geimi. Einnig eru sólarorku kappakstursbílar með slíka gerð. Um og yfir 27% nýtni hefur fengist með Galíumarseníd sólarsellu og er möguleiki á allt að 35% nýtni.

Margsamskeyta sólarsellur.

Ein leið til að auka nýtni sólarsella er að setja saman mörg lög af ljósspennusamskeytum, eins og í margsamskeyta sólarsellum (e. "multiple-junction solar cells"). Á milli p- og n- lagana er oftast haft ómótaður kísill (e. "amorphous silicon").

Safntækni.

Önnur leið til að fá meira út úr sólarsellunum er að nota spegla eða linsur til að safna sólargeislunum saman. Þessi aðferð hefur þá kosti að það þarf færri sólarsellur. Venjulega þarf hins vegar að kæla kerfið til að koma í veg fyrir ofhitnun. Dýrustu og flóknustu gerðirnar nota stýrikerfi sem passa uppá að safntækin fylgi alltaf sólinni svo að sellurnar fái alltaf sem mest af sólargeislum.

Notkun sólarsella.

Eins og staðan er í dag eru sólarsellur enn of dýrar í framleiðslu til að vera samkeppnishæfar á markaði en en nálgast þó. Í dag eru um 55% af fólksfjölda jarðar ekki tengdur rafmagnskerfi og á þeim svæðum eru sólarsellur oftast besti kosturinn til rafmagnsöflunar. Mikill meirihluti af þessum 55% sem ekki eru tengd rafmagnsneti eru fólk sem býr í þróunaríkjunum. Á slíkum stöðum er sólarorka keppnishæf, sérstaklega í sólarlöndum. Í iðnaðarlöndunum eru sólarsellur notaðar á afskeftum stöðum eins og veðurstöðvum, siglingarbaujum og afskekktum eyjum. Þá hlaða sólarsellurnar rafmagn inná rafhlöður. Á Íslandi eru fellihýsi, húsbílar og hjólhýsi mörg hver komin með sólarsellur, veðurstofan og vegagerðin nota sólarsellur til að knýja ómannaðar veðurstöðvar.

Umhverfisáhrif.

Framleiðsla á sólarsellum er oft dýr og orkufrek. CO2 útblástur sem myndast við gerð sólarsella eru um 25-32 g/kwst, ef endurnýtanleg raforka er notuð til að framleiða sólarsellur myndi þessa tala hins vegar falla niður. Eftir að sólarsellan hefur verið framleidd þá gefur hún ekki frá sér gróðurhúsaloftegundir og efnin sem eru notuð í sólarsellum eru ekki hættuleg umhverfinu í flestum tilvikum.. Til samanburðar gefa kolaorkuver um 915-994 g/kWst og jarðvarmaorkuver um 20-40 g/kwst. Orkan em notuð er til að framleiða sólarsellur fæst til baka á 1- 4 árum en það fer eftir gerð og staðsetningu. Þar sem sólarsellur endast í 20-30 ár þýðir það að sólarsellur gefa af sér umtalsvert meiri raforku en það sem fer í að búa þær til