Solcelle

En solcelle omdanner solenergi direkte til elektrisk energi ved hjelp av fotovoltaisk effekt. Den elektriske energien kan brukes direkte i et elektrisk apparat, den kan lagres i batterier eller transporteres til forbrukerne via overføringsnettet. Solceller skiller seg dermed fra termiske solfangere, som tar opp energi fra sola i form av varme. 

Vanligvis lages solceller av et materiale som er en halvleder, typisk krystallinsk silisium (multikrystallinsk eller monokrystallinsk). Noen alternativer er tynnfilm solceller som CdTe (Kadmium-Tellurid), CIGS (av engelsk Copper indium gallium selenide – Kobber indium gallium selenid), CuInSe2 (Kobber Indium diselenid) eller amorft silisium. I tillegg finnes elektrokjemiske solceller, de såkalte Grätzelceller, hvor et fargestoff i kombinasjon med en halvleder omformer solenergien. Videre forskes det mye på hvordan solceller kan forbedres ved hjelp av nanoteknologi.

Produksjon
Produksjonsprosessen for tradisjonelle multikrystallinske solceller av silisium starter med kvarts som renses til såkalt solcellekvalitet (eng. SOG-Si), det vil si Si > 99,9999 %. I dag skjer dette ved den såkalte Siemensprosessen hvor materialet fordampes til gass før det renses, en prosess som krever mye energi. Det rene halvledermaterialet blir deretter støpt om til såkalte ingots (med mål cirka 1,5 m x 1,5 m x 0,4 m) som igjen skjæres opp i blokker (cirka 0,156 m x 0,156 m x 0,3 m). Ved hjelp av trådsager sages blokkene opp i tynne skiver, såkalte wafere, hver med tykkelse lik cirka 0,2 mm. Waferne er grå av farge med tydelig kornstruktur (ligner på et puslespill), men blir etterhvert blå (eller blå-lilla) avhengig av tykkelsen på antirefleksbelegget som påføres etter at materialet er teksturert og dopet. Til slutt brennes kontakter av sølv gjennom antirefleksbelegget og cellen kan sammenmonteres med flere andre i et panel.

Det mest vanlige alternativet til multikrystallinske solceller er monokrystallinske celler. Ved fremstilling trekkes en enkrystall istedenfor å støpe en multikrystallinsk ingot. Etter saging gir dette celler med samme blåfarge som de multikrystallinske cellene, men solceller laget fra enkrystaller kan enkelt gjenkjennes ved at cellene blir åttekantede istedenfor firkantet. Dessuten er kornstrukturen borte slik at en celle har samme farge over hele cellen. Solceller av andre typer kan ha andre farger, f.eks. er solceller av CdTe sorte.

Som nevnt ble halvledermaterialet av silisium dopet, dette for å få en pn-overgang. Dette kan skje ved at den ene siden av waferen påføres bor, som har ett elektron mindre i ytterste elektronbane enn silisium. Den andre siden påføres fosfor, som har et elektron mer. Under en oppvarmingsprosess vil de nye atomene diffundere inn i materialet slik at p-type silisium oppstår på bor-siden mens n-type silisium oppstår på fosfor-siden. Frie elektroner blir nå flyttet mot kontaktene på overflaten og waferen er blitt en solcelle.

Virkemåte

Solceller produserer elektrisitet ved hjelp av fotovoltaisk effekt. Funksjonsmåten til en solcelle kan forstås ut fra ekvivalentkretsen til høyre. Lys som inneholder fotoner av tilstrekkelig energi (større enn båndgapet til materialet som blir belyst) vil danne mobile elektronhullpar i halvledermaterialet. Ladningsseparasjon oppstår på grunn av et elektrisk felt i forbindelse med pn-overgangen som er i termisk likevekt (altså at det er selve kontaktpotensialet som skaper det elektriske feltet). Disse elektriske feltene i forbindelse med pn-overgangen var til stede allerede før solcellen ble utsatt for lys. Denne ladningsseparasjonen skiller positive elektronhull og negative elektroner over pn-overgangen. Solcellen virker da som en diode noe som gir en forover spenning eller fotovoltaisk  spenningen mellom de opplyste diodeterminalene.

Den lysinduserte ladningsseparasjonen skaper en returstrøm gjennom solcellens pn-overgang (i motsatt retning av den retningen som en diode normalt leder strøm), og denne ladningsseparasjonen  forårsaker som nevnt en fotoelektrisk spenning, eller elektromotorisk spenning (ems) som driver strøm gjennom en tilknyttet ekstern elektrisk krets. En bivirkning av denne spenningen er at solcellen har en tendens til å gi såkalt forward bias i overgangen. Ved høye nok effektnivåer vil denne forward bias føre til en strøm i lederretningen i dioden som subtraherer seg fra den strømmen som blir skapt av lyset. Følgelig vil den største strømmen oppnås ved kortslutningsbetingelser, og er betegnet som IL i ekvivalentkretsen. Omtrent den samme strømmen oppnås for foroverspenninger opp til det punkt hvor diodens strømgjennomgang blir betydelig.

Forholdet mellom strøm I og spenning U for en solcellen (diode) som mottar lys er:

hvor I er strømmen levert til lasten, I0 er revers metningsstrøm og m en faktor som bestemmes av solcellekonstruksjonen og til en viss grad på spenningen selv. Videre er kT/q er den såkalte termisk spenningen (cirka 0,026 V ved romtemperatur). Dette forholdet er plottet i figuren ved hjelp av en fast verdi for m = 2. Når solcellen ikke er tilknyttet en ekstern krets (altså at I →0), er spenningen i ubelastet tilstand lik den spenningen der forward bias i pn-overgangen er stor nok til at fremoverstrømmen helt balanserer den fotoelektriske strømmen. Omorganisering av I-V ligningen gir tomgangsspenning som:

som er nyttig å angi som en logaritmisk avhengighet av UOC i forhold til fotoelektriskstrøm. Typisk er ikke tomgangsspenningen mer enn 0,5 V.

Verdien av den fotoelektriske spenningen ved belastning er variabel. Som vist i figuren over vil det for en belastningsmotstand RL i den eksterne kretsen utvikles en spenning i cellen  som ligger mellom kortslutningsverdien V =0 (ved I =IL) og tomgangsverdinen Voc (ved I =0). Denne spenningen har en verdi gitt av  Ohms lov V =IRL, hvor strømmen I er forskjellen mellom kortslutningsstrøm og strøm på grunn av videre forward bias i overgangen som antydet med ekvivalentkretsen.

I motsetning til et batteri vil solcellen ved strømverdier i nærheten av IL fungere mer som en strømkilde enn spenningskilde. Den strømmen som trekkes er nesten konstant over et nokså stort intervall av belastningsspenninger, med ett elektron per konvertert foton. Den kvanteeffektivitet, eller sannsynligheten for å få ett elektron fra lysstrømmen per innfallende foton avhenger ikke bare av solcellen i seg selv, men også av spekteret til lyset.

Dioden besitter et innebygd potensialle på grunn av kontaktpotensialforskjellen mellom de to forskjellige materialene på hver side av pn-overgangen. Dette innebygde potensialet etableres når overgangen er dannet som et biprodukt av termodynamisk likevekt. Når dette er etablert kan denne spenningsforskjell ikke drive en strøm, men om en last tilknyttes vil den ikke forstyrre denne likevekten. Derimot drives strømmen av akkumulering av overskuddselektroner i en region og av overskuddshuller i en annen region. På grunn av belysning resulterer dette i at det oppstår en fotoelektriske spenning, altså ems. Denne ems driver en strøm når en last er tilknyttet til den belyste fotocellen. Som nevnt ovenfor vil også den fotoelektriske spenningen føre til forward bias i pn-overgangen, og dermed reduseres det pre-eksisterende elektriske feltet i utarmingsområdet.
Elektronvandringen lager en elektrisk strømkrets. 

For å få en praktisk nyttbar ytelse fra solceller, er det vanlig å seriekoble dem i et solcellepanel slik at spenningen tilpasses et likestrømsanlegg på 12 volt.

Virkningsgrad
Oppgitte virkningsgrader på solceller, det vil si hvor mye av den innkommende energien som omdannes til elektrisk energi, bedres gradvis som følge av forskningsinnsatsen på området. Noen typiske tall for kommersielle solceller kan være cirka 16 % for multikrystallinsk silisium, monokrystallinske celler leverer typisk 18 %, CIGS celler leverer cirka 10 %, CdTe cirka 8 % og Grätzelceller omtrent 10 %. Teoretisk maksimal virkningsgrad er 87 % med forsterket lys og annen oppbygging av cellestrukturen, mens solceller med dagens struktur (som beskrevet her) har en øvre effektivitetsgrense lik 31 %.

Bruksområder
Solceller brukes på mange områder. De har vanligvis blitt brukt der elektrisitet fra strømnettet ikke er tilgjengelig, slik som i avsidesliggende strøk, strømforsyning for satellitter, håndholdte kalkulatorer, sambandsutstyr og så videre. På grunn av økende behov for nye energikilder har denne fornybare energiformen fått stor betydning i enkelte land som et tillegg til olje.

Solcelleindustri i Norge
REC Silicon, tidligere Renewable Energy Corporation, med hovedkontor i Sandvika har silisiumproduksjon i Butte og Moses Lake i USA, mens REC Solar har solcelle- og modulproduksjon i Singapore. RECs waferproduksjonen i Norge ble slått konkurs i august 2012. Andre viktig norske aktører innen solcellebransjen er Elkem Solar (Kristiansand), Otovo og Norsun (Årdal).

Se også 
 Solfanger
 Solkraft
 Solinnstråling

Referanser

Eksterne lenker 
 Norsk Solenergiforening
 fornybar.no 
 Norsk hjemmeside om solenergi
 NorSun  – produsent
 Solarbuzz – forskning- og konsulentbedrift  
 Solartechnik Prüfung Forschung - Sveitsisk solinstitutt     
 Slik virker en solcelle - multimedia fra forskning.no 27.2.12
 Hva er en vekselretter  - DC-spenning til AC-Spenning
 Dette er teknologisprangene bak solcelle-revolusjonen

Solenergi
Miljøteknikk
Energiomforming
Halvlederkomponenter
Elektrisk energiteknikk