BILLIGERE: Solceller integrert i bygningsfasader, som her på Elektrobygget på NTNU, kan bli enda mer aktuelt når SGS begynner å produsere rimeligere silisium for solcellefabrikantene. (Bilde: NTNU)
Strøm fra solen: Markedet for fotoelektriske systemer øker kraftig. Kilde: REC
(Bilde: Anne Farnes)

Fra sol til lyspære

REC

Det nye norske solkonsernet REC som nå noteres på Oslo børs, er representert i alle delene av verdikjeden. Fra produksjon av polysilisium, til silisiumskiver (wafers), selve solcellene og panelene. De lager også en del komplette systemer. I fjor produserte de 5,5 millioner solceller, og det var en økning på 87 prosent fra året før. I år er planen å produsere wafers som gir ca. 290 MW og øke dette til rundt 550 MW om tre år. I fjor ble det installert solpaneler med en samlet effekt på 1450 MW i verden.

Trender

Høyere virkningsgrad

Silisium er ikke det eneste materialet som kan brukes. Andre halvledermaterialer, som galliumarsenid, kan brukes for å tappe andre bølgelengder. Flersjiktsceller bygget opp av mange ulike materialer kan ha virkningsgrader på 35 prosent eller mer, men er svært kostbare.







Billigere

De aller beste solcellene er basert på flere lag og bruker galliumarsenid, men er svært kostbare. Slike brukes bare til helt spesielle anvendelser som i romfart og rekordforsøk med solcellebiler. Multikrystallinsk er billigere, men har litt lavere virkningsgrad. Enda billigere er silisium helt uten krystallstruktur akkurat som glass. Slike amorfe celler har lav virkningsgrad, men hvis de kan bli billige nok i produksjon, kan de brukes til å dekke store områder.

Tradisjonelt har prisen på solcellesystemer falt med mellom 5 og 10 prosent årlig. De er enda altfor kostbare til vanlig el-produksjon her i landet, men i noen land slik som i Japan benyttes de allerede til å supplere et overbelastet strømnett. Det antas at de vil kunne konkurrere med kostnaden for produksjon av strøm i perioder med toppbelastning av nettet fra rundt 2020 og at de vil kunne konkurrere mot tradisjonell strømforsyning rundt 20 år senere. I dag er tykkelsen på solcellene på 0,25 mm. I 2010 er målet å redusere denne til 0,13 mm.

Solen gir liv til jorden. Liv i form av energi.

I rene tall skinner det inn rundt en kilowatt på hver kvadratmeter som vender mot vår liv- og energigivende stjerne.

Med slike tall skulle man jo tro at energikrisen kunne avlyses, men så enkelt er det ikke.

Denne kilowatten havner ikke rett inn i strømledningene. Vi trenger hjelp fra avansert teknologi for å få den dit, teknologi hvor norsk industri har en solid andel av verdensmarkedet.

I andel av verdens produksjon av elektrisitet har solceller en forsvinnende liten andel, men den vokser svært hurtig. Markedet er elektrisk, for å si det litt populært.

Her kan du se prinsippet.

Også en halvleder

En solcelle er en halvleder på samme måte som svært mye av den elektronikken vi omgir oss med i dagliglivet. Solceller lages også av silisium slik som prosessorer og minnebrikker.

Oppgaven til en solcelle er å konvertere lys, enten det kommer fra solen eller fra andre kilder, til elektrisk strøm.

På en måte opererer de som en omvendt lysdiode. De bruker strøm til å produsere fotoner, men solcellen gjør det omvendte.

Solceller er basert på det som kalles den fotoelektriske effekten som ble oppdaget for så lenge siden om i 1839 av Alexandre-Edmond Becquerel.

Den første solcellen ble bygget i 1883, men det som regnes som den første moderne solcellen ble laget i 1946.

En diode

En solcelle består av to sjikt, der hvert sjikt består av silisium dopet med stoffer som fosfor og bor. Rent silisium leder ikke strøm, men dopet silisium gjør det.

Rent silisium har fire elektroner i det ytre skallet, og de danner sterke bindinger med fire andre Si-atomer slik at hver av dem «låner» fra de andre for å få et fullt skall på åtte.

Ved å dope det rene silisiumet med fosfor som binder seg løst til krystallgitteret, men som har fem elektroner i det ytre skallet, får vi ett løsere tilknyttet elektron som kan bevege seg, men som holdes i elektrisk nøytral balanse av det ekstra protonet i fosforkjernen.

Vi kan også dope silisium med bor som har tre elektroner i ytre skall. Da får vi en mangel på elektroner og det kalles ofte «hull», som også kan bevege seg rundt som elektrisk strøm.

Vi kaller det fosfor-dopede sjiktet N for negativt fordi det har overskudd av elektroner, mens det bor-dopede, som har overskudd av hull, kalles P for positivt.

En solcelle er i praksis bygget som en diode. I overgangen mellom P og N sjiktet dannes det et overskudd av negative ladninger på P-siden og positive på N-siden, og dette elektriske feltet gjør at elektroner bare kan bevege seg fra P til N.

Når lyset treffer silisium absorberes fotonene og har de høy nok energi slår løs et elektron hull par. Det er viktig at mest mulig av det innfallende lyset ledes inn (absorberes) i solcellen og at den er bygget slik at energiomsetningen til elektrisk strøm er mest mulig effektiv.





Virkningsgrad

En vanlig solcelle vil ligge på en virkningsgrad på rundt 10 til 20 prosent, avhengig av teknologi.

Vanlige solceller utnytter bare de synelige delene av sollyset, mens solstrålenes elektromagnetiske spekter er mye bredere, og energien fordeler seg i hele spekteret av bølgelengder.

Hvis fotonene har for lite eller for mye energi, går den tapt.

Siden silisium er en halvleder, er den indre motstanden mye høyere enn i en leder, noe som også er et tapsledd. Derfor er det viktig å utstyre solcellene med et nettverk av strømoppsamlere.

Men siden et slikt nettverk på oversiden ikke er transparent, reflekteres en del av lyset bort.

For å hindre det dekkes solcellene med et antirefleksjonsbelegg, og det øker absorpsjonen av fotoner i de områdene som ikke er dekket av strømoppsamlere.





Paneler

Den elektriske strømmen fra en enkelt solcelle er svært liten, men ved å koble dem sammen i serie og i parallell, kan de bygges sammen i paneler for å gi den ønskede strømstyrke og spenning.

For å få mest mulig strøm ut av solcellene er det viktig at de posisjoneres best mulig i forhold til solen. De skal helst stå normalt på solstrålene, men det krever at en motor posisjonerer dem.

Et solpanel som henger fast på en hyttevegg bør i Norge peke mot sør og vinkles slik at det står best mulig posisjonert i forhold til solen. Ideelt sett bør denne vinkelen justeres etter solen over året.





Se PDF som forklarer prinsippet.