Fornybart: I mange land er nesten all investering i ny kraftproduksjon fornybar energi. Denen utviklingen vil fortsette etter hvert som prisene på solceller faller og virkningsgraden øker (Bilde: Mari Gisvold)

Hvordan virker: Solceller

Solceller: Dette er teknologisprangene bak revolusjonen

En av de virkelig store og viktige trendene i moderne energiteknologi, har vært prisfallet på solceller. De har falt jevnt og trutt i pris i flere tiår.

Tyskland og Japan gav teknologien et tiltrengt løft da de begynte å subsidiere installasjoner, og da kineserne kastet seg på med statssubsidiert storproduksjon, falt prisene for alvor.

Dette har bidratt til en voldsom markedsvekst og få andre områder opplever 30 til 60 prosent vekst årlig i en 20-årsperiode. 

I løpet av denne tiden har solenergi brutt gjennom lønnsomhetsbarrierene i stadig flere markeder. Mens slik strømforsyning før bare kunne forsvares på utilgjengelige steder uten strømnett, er det nå en reell konkurrent til tradisjonell kraftforsyning i nesten alle solrike land.

Hustakene trekker teknologien

Jo mer volumene øker, jo mer faller prisen. Men det er også en annen interessant trend; høyere virkningsgrad. Spesielt i markedet for solceller på hustak er dette interessant. Det er dyrt å drive montasje av et solpanel på taket. Derfor har dette markedet en høyere betalingsvilje for høy virkningsgrad. Jo flere Watt som ligger i hvert solpanel, jo billigere blir installasjonen per Watt.

Prisfall: Det er ikke mange produktområder som kan vise til et så formidabelt prisfall som solceller.
Prisfall: Det er ikke mange produktområder som kan vise til et så formidabelt prisfall som solceller.

Den tradisjonelle solcellen bygges av ultra-rent silisium som sages i skiver på tykkelse med noen hårstrå ut av en ingot (rent metall, red anm.). Nå klarer man å sage cellene ned til 0,18 mm, men det betyr også at omtrent halvparten av de kostbare silisiummaterialene de sages ut fra blir til spon, som ikke kan gjenbrukes. Sponet er for forurenset.

De fleste solcellene lages av firkantede, multi-krystallinske blokker, men noen produseres også ut fra mer kostbare runde blokker hvor alt er en eneste krystall. De såkalte monokrystalline solcellene har litt høyere virkningsgrad fordi elektronene ikke forstyrres så mye av krystallfeil og krystalloverganger.

Som en diode

En solcelle virker omtrent på samme måte som en halvlederdiode. I en slik kan strømmen gå bare ene veien på grunn av en effekt som kalles PN-overgangen, et av de viktigste prinsippene i elektronikkindustrien. Den oppstår fordi halvledermaterialet, som regel silisium, er dopet med fosfor på den ene siden og bor på den andre siden. Det gjør at de to sidene får et overskudd og underskudd av elektroner og blir henholdsvis (P) positiv og (N) negativ. Mellom de to dopede sjiktene oppstår da en slags «enveis-foss» som dytter elektroner den ene veien («nedover»), men ikke motsatt.

Solcellen virker ved at lyset, altså fotoner, slår løs elektroner fra det ytre skallet i silisiumatomene. Normalt ville elektronene fare litt rundt og så falle tilbake til skallet igjen, men i en god solcelle vil de raskt bli utsatt for det elektriske feltet («fossen») til pn-overgangen, bli dyttet i ønsket retning og gå ut i den eksterne kretsen.

Den eksterne kretsen fanges opp av et nettverk av ledere som er trykket på solcellen på begge sider av den tynne silisiumskiven og som gir den sitt karakteristiske utseende.

Elektronkollisjoner

Når sollyset treffer solcellene, slår fotonene løs elektroner fra silisiumatomene (se faktaboks). Ett foton slår løs ett elektron.

Energien i sollyset er fordelt utover mange ulike bølgelengder. Mye av energien i lyset finnes i det optiske spekteret mellom fiolett og rødt. Litt av dette lyset med den laveste bølgelengden absorberes i glasset som ligger over og beskytter solcellene, men det meste slipper gjennom.

Dagens solceller klarer deretter å skape et elektron ut av de fleste fotonene som ligger i det synlige spekteret og som finner veien inn i solcellen. Egentlig har alle disse synlige fotonene så mye energi at de kunne skapt enda litt mer strøm eller strøm ved høyere spenning, men det lar seg ikke gjøre i en silisiumcelle.

Mye av det røde og infrarøde lyset derimot blir konvertert til strøm med svært høy virkningsgrad. Det mer langbølgede infarøde lyset derimot vil ikke ha nok energi til å slå løs noe foton, og vil derfor bare gå tvers igjennom solcellen.

Slanking foran gode speil

Tykkelsen på solcellene har mye å si hvis man vil nå de aller høyeste virkningsgradene. Selv i perfekt silisium ligger det en tapsfaktor det ikke er mulig å bli kvitt, men den kan gjøres minst mulig.

Det er viktig at de produserte elektronene har kortest mulig vei til overflaten, og det kan man oppnå ved å gjøre solcellen tynnere. Utfordringen på den andre siden er at hvis cellen blir noe særlig tynnere enn 160 mikron vil noen av fotonene gå tvers gjennom solcellen og aldri bli absorbert.

Dette løser rekord-cellene og de beste kommersielle cellene ved å ha et reflekterende sjikt (speil) på baksiden av cellene slik at det lyset som har gått gjennom hele solcellen reflekteres og sendes tilbake en gang til.

Den nye verdensrekord-cellen på 26,3 % fra Kaneka i år har ikke offentliggjort tykkelsen, men det er rimelig å tro at den kanskje kan være rundt 100 mikron tykk. De mest effektive kommersielle solcellene på markedet derimot lages av Sunpower og er i dag på rundt 140 mikron.

Båndgapet bestemmer

Båndgap er et sentralt begrep i solceller. Det bestemmer hvordan man får ut energien fra det halvledermaterialet som benyttes. Båndgapet er definert som energiforskjellen mellom elektronene som befinner seg i det ytre elektronskallet i atomet, det såkalte valensskallet, og energinivået til elektronene i ledningsbåndet, det vil si de som er slått løs av fotonene og ikke er bundet i atomene. Silisium har et såkalt indirekte båndgap ved at lyset statistisk passerer mange atomer før det slår løs elektroner.

Jo høyere båndgap, jo høyere er spenningen. I solceller basert på et materiale med høyt båndgap vil derfor de energirike fotonene slå løs elektroner med høy spenning mens de mindre energirike fotonene bare passerer forbi og ikke lager strøm i det hele tatt.

Er båndgapet lavere, kan derimot strømproduksjonen bli høyere, men ved lavere spenning. Silisium er valgt fordi det har et høyt nok båndgap til at mange fotoner blir til strøm samtidig som spenningen som produseres også er rimelig høy.

Flerlags solceller: Den hellige gral på solcellesiden er å kunne produsere rimelige tandemceller der det øvre laget tar seg av det energirike blå lyset, mens cellen under konverterer det røde spekteret til strøm.
Flerlags solceller: Den hellige gral på solcellesiden er å kunne produsere rimelige tandemceller der det øvre laget tar seg av det energirike blå lyset, mens cellen under konverterer det røde spekteret til strøm. Foto: ORV

Flere sjikt

For å hente ut mer av den samlede energien arbeides det med flere sjikt i solcellene, gjerne med bruk av galliumarsenid. En metode er å dampe på et ekstremt tynt sjikt galliumarsenid oppå en saget silisiumsolcelle. Forsøk med å dampe på silisium har ikke lykkes kommersielt fordi krystallstrukturen enten blir for dyr eller for dårlig.

Pådamping er ikke så enkelt som det høres ut. Det kreves at elektronene kan bevege seg mellom sjiktene og da må krystallstrukturen i det øvre og det nedre sjiktet være tilpasset hverandre. Det trengs en slags broløsning.

Når strømmen skal gå gjennom to sjikt, i det som kalles en tandemcelle, vil amperestyrken reduseres til rundt halvparten. Men spenningen blir mye høyere og det gjør at den samlede effekten som kan produseres fra lyset øker.

Teoretisk vil en tandemsolcelle kunne nå en virkningsgrad på 42 prosent og en trippel-celle nå 49 prosent, men det er dessverre forskjell på teori og praksis. Slike solceller vil antakelig kunne oppnå en virkningsgrad på mellom 30 og 35 prosent.

Har man mange nok sjikt til å fange hele det aktuelle spekteret kan man teoretisk komme opp i 95 prosent virkningsgrad, men igjen vil nok tallet i praksis være svært mye lavere. Likevel gir det en indikasjon på hvor langt det er igjen før forskningen vil støte an mot teoretiske tak.

Termisk PV

En variant av den fotovoltiske teknologien det jobbes med er såkalt termisk PV. Dette er en måte å utnytte høye temperaturer til å generere strøm, f. eks. fra eksosvarme eller i smelteverk. Teoretisk kan termisk PV komme opp i 85 prosent effektivitet, men i praksis ligger de et sted mellom 10 og 15 prosent.

Ikke kommersielt

Solpanel med to eller flere celler oppå hverandre er ikke kommersielt tilgjengelige, men dette er en viktig utviklingsretning, og det antas at de kan komme på markedet om noen år.

Solcellesjikt av GaAs (galliumarsenid) blir normalt dampet på. Det har to utfordringer. Det ene er å bygge en perfekt krystallstruktur, og ideelt sett oppå silisiumcellen. Det andre er å gjøre prosessen billig. GaAs er temmelig kostbart, men man trenger bare én prosent av mengden i forhold til silisium. Det er flere bedrifter som arbeider intenst med å gjøre slike tandemceller kommersielt tilgjengelige innen fem år.

De siste fem årene har det skjedd en voldsom utvikling og forbedring av solceller basert på såkalte perovskitt-krystaller. Dette er en krystallstruktur basert på ulike hybride organisk-uorganiske blyhalider, og de er veldig billige å produsere. Slike krystallstrukturer kan både brukes til å erstatte vanlige silisium-celler, men kan også potensielt brukes til å lage en toppcelle som kan ligge over en silisium-celle.

Den aller største usikkerheten her ligger imidlertid i om disse perovskite-cellene noen gang blir stabile. Blir de det, vil denne teknologien raskt kunne ta store markedsandeler.

Silisium stadig bedre

Spørsmålet er om kompleksiteten til tandemceller kan rettferdiggjøre gevinsten i virkningsgrad. Silisiumceller blir stadig bedre og prisen faller jevnt og trutt. Den beste silisiumbaserte solcellen som er laget til nå har en virkningsgrad på 26 prosent.

Solcellene i handelen ligger langt under rekordene. Det antas at gjennomsnittcellene vil bevege seg fra rundt 17-18 prosent i dag til mellom 19 og 20 prosent om få år. I dag produseres det silisium solceller med en virkningsgrad på 23 prosent, men de er kostbare og brukes mest på tak.

Det som er viktig for hele industrien, er at det meste som produseres flyttes oppover i virkningsgrad. To til tre prosent økning av gjennomsnittsvirkningsgraden vil ha enorm betydninge for mengden strøm som produseres og normalt bidra til å redusere prisene.

Prisene faller

De siste månedene har det vært nok et stort prisfall på solceller, spesielt fordi man installerte veldig mange solkraftverk i Kina i første halvår, og nå er takten noe lavere. I dag ligger derfor volumprisen ned mot tre kroner per watt på panelnivå.

Prisfallet gjør at stadig flere markeder kommer innenfor lønnsomhetsgrensen til solceller. Spesielt når man tar med den utviklingen som pågår parallelt på batterier. I Norge kan man tenke seg at hytter om noen år velger å koble seg fra strømnettet. Spesielt sommerhytter som har et lavt strømforbruk, men som må betale mye i faste avgifter og som kanskje får effektprising når de bruker mye strøm.

I Europa er det allerede lønnsomt å bruke solceller på taket i svært mange tilfeller. Setter man pengene i banken får man kanskje igjen en prosent i rente. Monterer man solceller på taket kan man få både 3 og 5 prosent avhengig av hvor man bor.

Kilde: Medgründer og ex-CTO i REC. Nå styreleder for Differ og Brighterlite, Erik Sauar.

Få med deg «Nordic EV Summit 2017» den 7. februar 2017.

Kommentarer (23)

Kommentarer (23)