Snart er de nye typene solceller klare. Virkningsgraden er kraftig forbedret.

Fremtidens solceller

Mer utbytte

For at en solcelle skal oppnå maksimal elektrisitetsproduksjon må solstrålene falle normalt inn på cellen. Derfor må den monteres slik at den har best mulig vinkel mot solbanen. Enda bedre er det å montere solcellene på en bevegelig mekanisk innretning som følger solbanen.

En annen måte å hente mer energi ut av solceller på er å bruke store, billige linser som konsentrerer strålene til cellene. Utfordringen her er å kjøle cellene, men mange av de nye materialene brukt i 3. generasjons solceller tåler de høye temperaturene mye bedre.

I tillegg er det viktig å designe resten av systemet med minst mulig tap. Solcellene er bare en del av et større anlegg for å lage strøm. Derfor snakkes det ofte om systemeffektivitet og ikke bare virkningsgraden i cellene.

Utbyttet er ikke likt over hele jorden. For å generere 20 000 kWh årlig med typiske solpaneler som er i handelen trengs det 163 m 2 i Trondheim, men bare 63m 2 i Sahara.

Stadig bedre

De første silisiumsolcellene som ble laget på 1950-tallet hadde de en virkningsgrad på bare 6 prosent.

På en halv time stråler sola like mye energi inn til jorden som vi forbruker på et år fra tradisjonelle energikilder. Utenfor atmosfæren mottar hver kvadratmeter 1,4 kW. Når solstrålene når bakken, er dette tallet redusert til 350 W/m 2. Men dette er bare småtteri av hva sola produserer. Her omdannes 700 millioner tonn hydrogen til helium i en fusjonsprosess. Hvert sekund!

Det meste av energien vi bruker er en eller annen måte å tappe solenergi på. Enten det er vannkraft, vind, biomasse eller fossil biomasse i form av olje, gass eller kull, er det solas fusjonsprosess som er eller har vært kilden.

Drømmen er å tappe solenergien direkte, og her har det vokst frem en betydelig norsk industri. Solceller er blitt stor forretning, og markedet øker eksplosivt. I enkelte markeder er strøm fra solceller den billigste måten å generere strøm på fordi det er så vanskelig å øke tradisjonell kapasitet. I andre markeder øker bruken på grunn av subsidier.

Etter hvert som lærekurven og produksjonsøkningen gjør at prisene faller, øker størrelsen på markedet.

Silisium

Dagens solceller sages ut som løvtynne skiver av blokker med superrene silisiumkrystaller. Det er en kostbar prosess med mye svinn. Samtidig er det en grense for hvor mye av de innstrålte fotonene som kan konverteres til elektrisk energi. Virkningsgraden til dagens krystallinske solceller basert på silisium ligger pluss-minus 20 prosent. Celler som er saget ut av en krystall (monokrystalline eller multikrystalline) er det beste, men også de dyreste.

Resten av solenergien reflekteres bort fra cellen eller blir til varme i cellematerialet.

Dagens solceller basert på silisiumkrystaller omtales ofte som første generasjon. Det snakkes også om annen og tredje generasjon, men disse er ikke noen direkte videreutvikling fra første.

Første generasjon

Utviklingen av annen generasjon solceller har konsentrert seg om å få ned prisen, ikke om å øke energiutbyttet. Til nå har de basert seg på samme fysiske prinsipp som i første generasjon.

En måte å gjøre solceller billigere på er å produsere dem basert på amorft silisium. Det er en ikke-krystallinsk variant av grunnstoffet som er mye billigere å produsere. Slike solceller kan produseres ved hjelp av kjemisk vakuumdeponering, spraying eller andre metoder som har det til felles at de gjør det billigere per arealenhet som produseres.

Ulempen med amorfe solceller er at virkningsgraden er betydelig lavere enn med krystallinske celler, selv om de beste laboratorievariantene har oppnådd 12 prosent.

Norske NorSun bygger fabrikken Sunfilm i Tyskland. Den skal produsere solceller basert på amorft silisium på glass i veldig stor skala. Cellene vil bli billige, men ha mindre enn 10 prosent virkningsgrad. Det antas at slike solceller, som bruker bare 1 prosent av silisiummengden i forhold til dagens celler, vil vokse til 18 prosent av markedet om tre år. Annen generasjon solceller kan også produseres fra mange ulike materialer slik som kobber-indium-gallium-diselenid eller kadmium-tellurid, og de blir gjerne påført tynt på et bæresjikt av glass eller keram.

Organiske celler

Et alternativ er organiske celler laget av en polymerfilm. Slike kan produseres billig, men virkningsgraden har til nå ikke oversteget 12 prosent. Det arbeides også med å bruke fargestoffer til å generere strøm. Slike kan i fremtiden påføres med blekk-jet-metoder eller benyttes i en form for gel.

Solceller basert på første og annen generasjons teknologi har en teoretisk maksimal virkningsgrad på 31 prosent. Selv om produksjonen av annen generasjon solceller øker raskt, vil første generasjon dominere markedet i minst ti år fremover.

Tredje generasjon

Tredje generasjon er for mange solcellenes hellige gral. Målet for denne utviklingen er å øke virkningsgraden betydelig. Teoretisk er det mulig å nærme seg 90 prosent, men det er svært langt igjen i praksis. I dag ligger de beste tredje generasjon solcellene på rundt halvparten.

I dagens første og annen generasjon solceller benyttes bare de fotonene som har høy eller middels energi. De andre går gjennom, eller blir reflektert. For å øke virkningsgraden kraftig er det viktig å hente ut mest mulig av energien i alle fotonene. Derfor bruker gjerne slike celler flere sjikt av ulike materialkombinasjoner, hvor hver enkelt kombinasjon i realiteten er en egen solcelle tilpasset det energiområdet til fotonene den skal fange inn.

Slike solceller kalles tandemceller, og de beste tandemcellene i dag har tre solceller etter hverandre. Utfordringen er å legge mange lag med ulike materialer på hverandre uten at det oppstår mekaniske spenninger og defekter. Her benyttes gjerne teknikker basert på kjemisk eller fysisk pådamping for å bygge sjiktene oppå hverandre. Tykkelsen på de ulike lagene tilpasses slik at de er i elektrisk balanse ved at hvert lag (hver solcelle) produserer like mye strøm.

Det er allerede et marked for tredje generasjon solceller, men de fleste er tilpasset bruk i satellitter hvor vekt- og arealkostnadene er formidable. Selv om bedre virkningsgrad er hovedmålet, betyr ikke det at tredje generasjon solceller ikke skal bli billige.

Kan man både lage solceller som er billige per arealenhet og som har høy virkningsgrad, vil det virkelig være med på å forandre verden.

Kilde. Førsteamanuensis Turid Worren Reenaas, Institutt for fysikk ved NTNU