2. Inledning

Vi vill ge en beskrivning hur en solcell kan vara uppbyggt och fungerar, samt försöka ge förståelse för i vilka sammanhang de olika typerna av solceller sätts, och vilka typer som finns.

Vi vill kunna förklara detta för en målgrupp med ungefär samma förkunskaper som de som krävs i fysik för att kunna söka denna kurs. Ett mål är också att även de, som inte har tillräckliga kunskaper men är intresserade av solceller, ska förstå.

Vi har använt oss av tidigare inhämtad kunskap, dvs vad vi kan sedan innan, och de referenser vi tidigare angett. När de inte har räckt till har vi, som ett komplement till dessa, undersökt de referenser som ges i referenserna, samt sökt en del helt nya.

Med denna rapport vill vi berätta vad vi lärt oss om solceller, men även visa att vi utvecklat någon sorts förmåga att inhämta information och sålla i informationsdjungeln, för att bara göra en internetsökning på till exempel solceller vore både tidsödande och meningslöst eftersom det vore omöjligt att inom överskådlig tid gå igenom en bråkdel av träffarna.

 

3. Kort historik

Solcellens historia börjar 1839 då Becquerel fann den fotovoltaiska effekten i en elektrolyt där elektrisk spänning uppstod då den utsattes för belysning. På 1870-talet upptäckte Smith att ledningsförmågan hos Selen (Se) påverkades av ljus, och några år senare observerade Adams och Day fotovoltaisk effekt i selenstrukturer. Selen är den första funna halvledaren. I början av 1900-talet framställdes solceler av koppar och kopparoxid (Cu/Cu₂O). Genombrottet för förståelsen kom 1914 då Goldman och Brodsky förklarade den fotovoltaiska effekten med en barriär mellan två skikt som Cu/Cu₂O. Början på 40-talet läggs grunden till den moderna halvledartekniken. Som startår för solcellstekniken anges 1954. Då framställde Chaplin, Fuller och Pearson en kiselsolcell med 6% verkningsgrad [1].

Den första tillämpningen blev rymden och det dröjde fram till 70-talet innan solcelernas potential för jordbunden användning uppmärksammades. Energikrisen 1973 utlöste ett intensivt utvecklingsarbete i flera länder för att reducera tillverkningskostnader och öka verkningsgraden. USA var föregånglandet och ett långsiktigt energiforsknings program medförde en snabb uppbyggnad av produktionen . Redan 1978 fanns solceller att tillgå från ett antal tillverkare. Omkring 1980 introducerade japansk industri solceller av amorft kisel, till en början för avändning i klockor, fickräknare med mera. Sedan 1984 finns även solcellsmoduler av amorft kisel (5W) på marknaden. Idag finns ett flertal olika typer av solceller och tillverkare och applikationer

 

4. Vad är en solcell?

Solceller är komponenter som omvandlar solljus till elektricitet. Detta är möjligt tack vare egenskaperna hos halvledare. Principen är att solstrålningen polariserar halvledarmaterialet så att en potentialskillnad uppstår i pn-övergången och därmed ett elektron-hålpar. Detta innebär att cellens översida blir negativt laddad medan undersidan blir positivt laddad. Efter denna laddningsseparation samlas laddningarna i fram- och backkontakterna så att de kan erhållas som ström i en yttre krets, se Figur 1.

Det finns olika solcellstyper med varierande egenskaper beroende på materialen som cellen består av. Materialet bestämmer bland annat inom vilket våglängsområde solcellen kommer att absorbera solljus.



Figur 1: Principen för en solcell.

En solcell ska kunna absorbera så mycket solljus som möjligt. Därför måste framkontaktens storlek minimeras med tanke på att den inte får skymma ljuset samtidigt som kontakten med halvledaren måste vara bra. På vissa halvledartyper kan transparenta framkontakter användas.

 

5. Tekniska begrepp och halvledarfysik
1. Ledare och halvledare

Med en ledare menas ett material med en resistivitet mindre än 0,001 W m medan en isolator har en resistivitet större än 10⁵ W m; i intervallet här emellan ligger halvledarna [1]. Resistiviteten är omvänt proportionell mot ledningsförmågan (konduktiviteten). Ledningsförmågan bestäms av antalet ledningselektroner, samt mobiliteten som är ett mått på hur rörlig en elektron är i materialet. Det som skiljer resistiviteten hos en god ledare jämfört med en halvledare är antalet ledningselektroner. I en god ledare kan varje atom bidra med en ledningselektron medan i en halvledare kan det behövas 10⁷ atomer för att frigöra en ledningselektron.

För att en elektron skall kunna bidra till ledningsförmågan måste den vara så löst bunden att den kan frigöras. De flesta ledarna har en eller två valenselektroner i sitt yttersta skal och dessa är oftast löst bundna. Halvledare däremot sitter samman med starka kovalenta bindningar som bryts upp av termisk energi och frigör ledningselektroner. Deras ledningsförmågan påverkas avsevärt om halvledaren dopas, se Dopning. Det finns två typer av dopning: n-dopning som för kisel vanligtvis sker med fosfor och p-dopning med bor, aluminium eller arsenik.

De frigjorda ledningselektronerna lämnar efter sig elektronhål som också i sig bidrar till ledningsförmåga, eftersom dessa fylls av andra valenselektroner så att hålet flyttar sig som en positiv laddning.

 

2. Energiband

I en halvledare finns två energiband: ledningsbandet och valensbandet. Strukturen på dessa två band i en halvledare beskrivs i Figur 2:



Figur 2. Bandstruktur för en halvledare. E_G står för energiskillnaden mellan lednings- och valensbandets minima respektive maxima. I (a) kan vi se direkt bandgap och i (b) ser vi indirekt bandgap. Det övre bandet är ledningsbandet medan det undre är valensbandet.

E_G står för energiskillnaden mellan lednings- och valensbandets minima respektive maxima. För att en elektron skall kunna bidra till ledningsförmågan måste den kunna uppta energi. Det måste alltså finnas tomma energitillstånd dit elektronen kan flytta sig. I en ledare, där valens- och ledningsband överlappar varandra, är det lätt för elektroner att ta sig till tomma energinivåer. I en halvledare däremot finns ett bandgap och ofullständigt fyllda valens- och ledningsband, vilket ger en viss ledningsförmåga trots bandgapet. Bandgapets storlek beror bland annat på bindningarnas styrka, som i sin tur beror på atomavståndet.



Figur 3: Förenklat energibanddiagram för metaller, halvledare och isolatorer. E_C står för energin vid ledningsbandet, E_V för energin vid valensbandet och E_G är energiskillnaden mellan E_C och E_V.

Bandgapet består av förbjudna energitillstånd där elektronerna inte kan vara, därför kan solcellen inte ta upp fotoner med mindre energi än den i bandgapet, som alltså är skillnaden mellan energin i valens- och ledningsbandet (0,5-1,5 eV för de vanligaste halvledarmaterialen) [1]. Om energin i fotonen är större än bandgapet kommer överskottet att omsättas i form av krstallrörelse.

 

3. Dopning

I en halvledare kan ledningsförmågan ändras drastiskt genom att den dopas med olika störatomer. Dopning som ökar antalet ledningselektroner är av n-typ, eftersom den har överskott av elektroner. Eftersom elektronerna är många fler än hålen kallas elektronerna majoritetsbärare och hålen minioritetsbärare. Störatomerna kallas donatorer eftersom de donerar fria ledningselektroner. Dopning som ökar antalet hål eftersom de saknar elektroner till sina bindningar är av p-typ, eftersom den har ett överskott av hål. Störatomerna kallas acceptorer och nu är det hålen som är majoritets bärare.



Figur 4: Donatorerna och acceptorerna kan representeras med två energinivåer i bandgapet. E_D och E_A är energierna för donatornivåerna respektive acceptornivåerna.

Donatorerna avger lätt elektroner till ledningsbandet genom en tillåten donatornivå strax under ledningsbandkanten i det annars förbjudna bandgapet. Där befinner sig elektronen när den är bunden till donatorn men eftersom jonisationsenergin är liten hoppar den lätt upp i ledningsbandet. På samma sätt finns en acceptornivå strax över valensbandskanten. Enkelt kan sägas att trappsteget för de lite klenare elektronerna sänks, när de väl tagit sig upp till donatornivå blir det enkelt att ta sig vidare till ledningsbandet.

 

4. pn-övergång

De allra flesta solceller består av en så kallad pn-övergång. Det innebär att ett p-dopat och ett n-dopat ämne är sammanfogade.



Figur 5: Schematisk pn-övergång. Laddningarna i cirklarna står för de fria laddningarna i halvledaren, medan de övriga står för de laddningar som skapar det inre elektriska fältet.

Vid gränsskiktet mellan de dopade ämnena kommer elektroner från det n-dopade ämnet att rekombineras med hål från det p-dopade ämnet. Detta skapar ett internt elektriskt fält i gränsskiktet, eftersom det p-dopade området blir negativt laddad av de elektroner som har passerat från n-sidan. På samma sätt blir det n-dopade området positivt laddat. Det elektriska fältet kommer att motarbeta ytterligare laddningsvandringar och en jämvikt kommer att ställa in sig.

När en foton absorberas i cellen kommer en elektron att exiteras och en exiton bildas (elektron-hålpar). Dessa två laddningar kommer att bete sig på olika sätt beroende på om de befinner sig i det p- eller n-dopade skiktet. Båda laddningarna bidrar till ledningsförmågan i halvledaren, men de laddningar som befinner sig på motsatta sidan (elektroner i p-sidan och hålen i n-sidan) kommer att gynna ledningsförmågan mest, eftersom endast de påverkas av det inre elektriska fältet.

 

5. Direkt och indirekt bandgap

Tillståndet hos varje fri elektron kan beskrivas med formeln för energi, E, som funktion av rörelsemängden:

, (1)

där är rörelsemängden och m är elektronens massa.

Vid direkt bandgap, det vill säga att min- respektive maxvärdet i (1) för valens- och ledningsbandet inträffar i samma p, behövs endast en foton för förflyttning från valensbandet till ledningsbandet, så att både energin och rörelsemängen bevaras. Om halvledaren istället har ett indirekt bandgap, det vill säga att min- respektive maxvärdet för (1) inträffar vid olika p för valens- och ledningsbandet, räcker det inte med att en enda elektron absorberas för förflyttning. I detta fall krävs att elektronen avger sin energi i form av värme.



Figur 6: Schematisk bild över direkt och indirekt bangap. I (a) kommer en foton att utsändas när en elektron faller tillbaks till valensbandet. I (b) kommer däremot en fonon att utsändas, dvs energi i form av kristallrörelse. För att en elektron ska kunna ta sig till valensbandet i ett indirekt bandgap måste skillnaden i rörelsemängsmoment (p), lämnas i form av värme.

6. Absorptionskoefficient

Vid belysning av en halvledare anges mängden infallande ljus genom ljusets effekttäthet (P W/m²). Ljusenergin motsvarar ett visst fotonflöde F ₀ (m ^-2 s ^-1) som, om ljuset är monokromatiskt kan beräknas ur



där hv är fotonenergin. Om fotonflödet F ₀ infaller mot en halvledaryta kommer en del att reflekteras vid ytan på grund av skillnaderna i brytningsindex mellan halvledaren och den omgivande luften. Reflexionen kan skrivas



där n är materialets brytningsindex. Andelen fotoner h (l ) som tränger in i halvledaren fås genom

.

Där På grund av ljusabsorption kommer fotonflödet F _x inne i halvledaren att minska när avståndet x till halvledarytan ökar. Denna minskning kan beräknas genom att varje absorberad foton ger upphov till en optiskt genererad exiton. Den optiska generationen g_L(x) av exitoner måste samtidigt vara proportionell mot fotonflödet, och mot minskningen i fotonflödet. Detta kan då skrivas som



där a [ m ^-1] kallas absorptionskoefficient och beror både på l som och på halvledarmaterialet. Lösningen på denna differrentialekvation, med randvärdet F ( 0) = h F ₀, blir



För har fotonflödet minskat till (37%) av sitt ursprungliga värde på ytan. kallas därför ljusets inträngningsdjup och är ett mått på hur djupt ljuset penetrerar halvledaren. På samma sätt avtar generationen av exitonerna exponentiellt med avståndet från den belysta ytan



 

6. Några solcellstyper

1. Kristallint kisel

Det finns två olika sorters kristallina kiselsolceller; mono och polykristallina. I monokristallina kiselsolceller används kisel med en perfekt kristallstruktur, det vill säga att hela ämnet består av en enda kristall. I polykristallina celler består ämnet snarare av korn med monokristallin struktur.

Eftersom kisel har ett annat brytningsindex än luft, kommer det att reflektera bort en del av solstrålningen vid gränskiktet mellan ämnena. Det är viktigt att så mycket solstrålning som möjligt tränger in i cellen och därför läggs det på ett lager kiseldioxid. Kiseldioxid har ett brytningsindex mellan luft och kisel och släpper igenom det mesta av solstrålning. För att minska reflexionen ytterligare, ges ytan på cellen en form av inverterade pyramider. Denna princip ökar sannolikheten för att en foton ska absorberas av solcellen, eftersom den kommer att träffa ytan åtminstone en gång till innan den reflekteras bort. För att ytterligare öka denna sannolikheten beläggs cellens bottenyta med ett reflekterande lager, vilken gör att ljus som inte har absorberats studsar tillbaks, och får på det sättet ytterligare en möjlighet att absorberas.

Efter det att en foton har absorberats och ett elektron-hålpar bildats, måste laddningarna kunna ledas bort. För att få bra fram- och bakkontakter läggs ett p-dopat respektive n-dopat område vid kontakterna. Dopningen gör att det inte behövs läggas till någon yttre spänning för att strömmen ska kunna passera kontaktytan, det finns ju redan en inre spänning i solcellen, i och med att den har absorberat fotoner. Framkontakten är av metall och har formen av smala fingrar för att inte skymma solstrålningen. Storleken på dessa kontakter måste optimeras med tanke på att det ska vara så liten resistans som möjligt, samt att kontakten mellan metallen och kiseln ska vara bra.

En kiselsolcell ger ca 0,5 V i utspänning, men vid seriekoppling av 30-36 st kan en utspänning lämplig för laddning av 12 V blyackumaulatorer fås. Tillverkningskostnaden för en solcell av denna typ ligger på ca 4500 kr/m2 med nuvarande teknik [3].

 

2. Grätzelcellen

Grätzelcellen eller våtcellen, våt eftersom en av komponenterna är en elektrolyt, bygger på den mest effektiva processen för att uppta solljus: fotosyntesen. Under fotosyntesen absorberas solljuset av ett färgämne, klorofyll. Den elektron som exciteras injiceras sedan till ett membran genom vilket elektronen transporteras. Vid membranets inre sida finns det nu kvar ett hål, och en laddningsseparation har uppkommit. Elektronen utnyttjas för syntes av energirika kolhydrater som lagras i växten, medan hålet oxiderar vatten till syrgas. I Grätzelcellen är det, såsom i de gröna växterna, ett färgämne som står för ljusabsorptionen medan ledningen av elektronerna sker i en halvledare. I konventionella solceller används den fotovoltaiska effekten för att omvandla solljus till energi. Enligt denna princip sker ljusabsorptionen och laddningsseparationen simultant. Det är detta som avgör skillnaden mellan kiselsolceller och Grätzelcellen. Att ljusabsorptionen och laddningsseparationen sker var för sig innebär att andelen excitoner som regenereras minskar avsevärt.

Den övre kontakten måste vara en elektrod av en transparent ledande oxid (t ex Sn-dopad In₂O₃ [4]). Färgämnet brukar vara en ruteniumkomplex, det vill säga en ruteniumatom omgiven av organiska föreningar (Ru-k). Halvledaren som har visat bäst resultat är titandioxid (TiO₂). Halvledaren ligger i en redoxlösning (lämpligen av jod och jodid). Denna bör vara transparent så att solstrålningen fritt kan absorberas av färgämnet; dessutom ska redoxlösningen kunna leda ström bort till kontakterna. Den undre kontakten består av tennoxid.



Figur 7: Principen för Grätzelcellen.

För att få så stor absorptionsyta som möjligt ges halvledaren en nanokristallin porös struktur. Det är dessa porer som färgämnet sitter på. Absorptionen medför att en elektron i ruteniumatomen exciteras och transporteras ner till titandioxidytan och vidare till den transparenta kontakten. Efter det går elektronerna igenom den eventuella yttre kretsen och in i cellen genom den andra elektroden. Denna är belagd med platina för att katalysera reduktionen av jod till jodid, som lämnar tillbaks en elektron till den joniserade ruteniumatomen. Varför elektronerna rör sig i denna riktning är ännu inte klarlagt, men en förklaring kan vara att det uppstår ett elektriskt fält över hela cellen. Effektiviteten hos Grätzelcellen är sålunda direkt kopplad till hur effektivt elektronerna kan transporteras från färgämnet till titandioxidytan. Samtidigt som denna transport ska ske så snabbt som möjligt ska reaktionen, där elektronerna faller tillbaks på de tomma platserna i rutenium, bli så långsam som möjligt.

Grätzel-cellen har nu som bäst kring 10% verkningsgrad en solig sommardag, vilket är nära värdena för amorft kisel, vilket är dess största konkurrent. Dessutom verkar tillverkningskostnaden för Grätzel-cellen snart komma ligga i ungefär samma prisklass som vanligt takläggningsmaterial till villor, dvs 300 kr/m². I Göteborg skulle det räcka till att försörja en villa med el [5]. Problemet blir då bara att lagra energin under soliga dagar för att användas molniga.

Grätzel-cellerna har sin styrka i att de har hög verkningsgrad även vid låg ljusintensitet. Det finns inte heller några kända miljöeffekter. Klockföretaget Swatch har köpt patentet på att göra glaset i sina klockor av denna solcellstyp, och klockan ska bara behöva ett par minuter i solen varje dag för att fungera. Livslängden är lång, uppemot 50 år [6].

 

3. Polymera solceller

Polymerer är kedjeformade organiska föreningar. Kedjan består av mindre molekyler (monomerer) som är förenade med kovalenta bindningar på ett repeterande sätt. Inom kemi skrivs ofta strukturen på polymeren med hjälp av monomeren:

,

där X står för antalet väteatomer och n för antalet monomerer som sitter bundna i kedjan; antal sträck motsvarar antal bindningar.

Polymerer förekommer naturligt men de allra flesta framställs syntetiskt. Deras egenskaper bestäms av både polymerkedjan och sidokedjan. I de flesta fall är de fasta formbara ämnen (pulver). Utvecklingsmöjligheter inom polymerteknik har gjort det möjligt att tillverka material med specifika egenskaper på otaliga användningsområden och under senare år har polymerernas fotoelektriska egenskaper börjat undersökas. Det vill säga, polymerer som kan omvandla elektricitet till ljus. Den omvända processen har också väckt stort intresse: att omvandla ljus till elektricitet, i synnerhet solljus. Detta är möjligt genom att forskarna har lyckats tillverka polymerer med halvledaregenskaper, så kallade konjugerade polymerer. Dessa egenskaper begränsas dock av polymerets struktur och dimensioner. På grund av att polymerer bildar långa kedjor har de bara en-dimensionella halvledaregenskaper, detta begränsar deras ledningsförmåga också till en dimension.

Att polymerer kan leda elektricitet beror på förekomsten av dubbla kovalenta bindningar mellan två kolatomer:



Det är med valenselektronerna som ingår i dessa dubbla bindningar som fotoprocessen är möjligt. Schematiskt brukar dessa polymerer ritas enligt följande:



I varje hörn sitter en kolatom med enkel- och dubbelbindning. Väteatomer utelämnas helt. Sådana här molekylstrukturer kallas för konjugerade p -system. Halvledaregenskaperna hos den typen av polymerer förklaras, genom att anta att elektronerna i de dubbla bindningarna inte tillhör en enda atom utan att de bildar en rörlig elektron moln längs hela molekylen, så kallade delokaliserad p_z-orbitaler (streckade linjer). På den översta orbitalen hittar vi orbitalen där elektronerna vandrar, på den nedersta vandrar de positiva laddningarna det vill säga hålen:



När en foton absorberas i polymeren, bildas en exciton. Efter laddningsseparationen som sker längs kedjan, kommer de negativa laddningarna att vandra mot aluminiumet, ut i en yttre krets och in i nästa kontakten, ITO (Indium-ten-oxid). För att förbättra laddningsseparationen och motverka excitonregenerationen, blandas polymeren med C₆₀.



Figur 8: Principen för en polymer solcell.

I dagens läge har ingen lyckats få upp verkningsgraden högre än till 0,5 %. Detta förvärras av att polymeren oxiderar väldigt snabbt av solljus i närvaro av syre.

 

4. Tunnfilmsceller

På senare år har satsat mer på tunnare celler, vilket minskar materialåtgången. Då minskar även renhetens betydelse något. Dessa så kallade tunnfilmsceller blev kommersiella 1984 och ses mest i andra sammanhang än just storskalig elproduktion. De består av amorft kisel som har helt andra egenskaper än kristallint. Bland annat har det en högre ljusabsorption, vilket är nödvändigt för att kunna göra cellen tunn. Det finns flera varianter av tunnfilmsceller bland annat av amorfkisel (a-Si), koppar-indium-gallium-diselinid (CIGS) och kadmiumtellurid (CdTe).

Amorft kisel har, trots att de ingående atomerna är desamma, helt andra egenskaper är kristallint kisel. Bland annat har det en högre ljusabsorption, vilket är en nödvändighet för att cellen skall kunna göras tunn. Amorft kisel användes för första gången i solcellssammanhang 1974. 1996 stod amorft kisel för 15% av världsmarknaden för solceller [3].

Tunnfilmsceller är bara några mikrometer tjocka och detta medför att det går åt mindre halvledarmaterial, och därmed minskar kostnaden något. För kristallina celler är kostnaden för själva kislet stor, men för tunnfilmsceller, som är knappt en hundradel i tjocklek, blir materialåtgången mycket mindre. När det gäller kristallina celler måste tillverkning ske styckvis och därefter montera ihop till moduler. Tunnfilmsmoduler däremot, kan tillverkas direkt genom att de skikt som bygger upp cellen ristas mekaniskt eller med laser på ett sådant sätt att seriekoppling av lämpligt antal sker. Den amorfa kiselsolcellen kostar i tillverkning runt 100 kr/m² [3]. Nackdelen är att många elektroner fastnar på väg till ledaren.

Dessa har dock haft stabilitetsproblem och nu sätts hoppet till de nya CIS-cellerna. Fortfarande är celler av kristallint kisel de mest konkurrenskraftiga vad gäller stabilitet och verkningsgrad. I sammanhang där vill ha dyrare men stabilare celler med hög verkningsgrad, t.ex. rymdsonder, används en annan kristallin celltyp, galliumarsenid. Verkningsgraden på tunnfilmsceller av amorft kisel ligger på ca 5-7% [3].

 

5. Fler solcellstyper

En ny typ av solceller, koppar-indiumdiselenid (CIS), är den nya typ av solceller som verkar mest lovande. På laboratorienivå har forskarna lyckats framställa en prototyp med verkningsgraden 12,4%. Det är sällan verkningsgraden och arean följer varandra, men för den typ av CIS-celler som kommer att tillverkas och har en aktiv area av några kvadratcentimeter, är verkningsgraden runt 8%. Målet är att nå 10% med större moduler. Forskarna räknar med att kunna komma igång med produktion mot slutet av århundradet. I en inte så avlägsen framtid kan vi få el av dessa för ca 35 öre/kWh. Denna typ av cellers största fördel jämfört med kristallint kisel är priset. Jämfört med amorft kisel är även verkningsgraden högre. CIS-cellerna innehåller förvisso kadmium, men i jämförelse med andra, t.ex. kadmiumtellurid-celler är det små mängder, så CIS-cellerna är förhållandevis miljövänliga. Den största risken vid större produktion är tillgängligheten på kadmium, vilken är begränsad.

Kristallina celler överhuvudtaget ger hög verkningsgrad, men de är dyra då det går åt mycket material, som dessutom måste ha hög renhet för att bibehålla verkningsgraden. Eftersom det krävs en relativt tjock kristallin cell för att skapa fria elektroner blir materialåtgången stor. Relativt tjock betyder i detta fallet 200-300 m m [7]. Enkristallint kisel är det basmaterial som används främst, eftersom det länge använts inom elektronikindustrin och det finns stor erfarenhet av detta. Däremot är tillverkningen av kiselbrickor med hög renhet redan långt framskriden och särskilt stort hopp hyses inte om att kunna effektivisera den processen mer.

 

6. Tandemceller för att höja verkningsgraden

För att höja effekten ska solcellen absorbera så mycket som möjligt av det instrålade solljuset. Vid utnyttjning av solcellens transmission av de våglängder som inte absorberas, kan en annan solcell sättas bakom den första och absorbera i det transmitterade våglängdsområdet. På detta sätt kan i teorin en verkningsgrad på 45% nås [7].

Världsrekordet verkningsgrad för solceller ligger på 37%, och innehas av det amerikanska företaget Boeing. De koncentrerade solljuset hundra gånger på en tandemcell av galliumarsenid.

Dock är denna typ av celler mycket dyra och är knappast intressanta just nu annat än i rymdprogram. Vissa material är trots detta under utveckling för att släppa igenom så mycket som möjligt av det solljus som det inte absorberar och omvandlar till energi. Denna forskning är väldigt ny, och det kan inte sägas när det kommer ett genombrott.

 

7. Tillverkning
1. Exempel på tillverkning av en kiselsolcell

Överst på en solcell ska det finnas ett skydd för att inte solcellen ska skadas. Skyddet måste transmittera så mycket av det infallande solljuset som möjligt i de aktuella våglängdsområdena. Ett skydd som har relativt hög transmission är glas med lågt järninnehåll. Sedan ska skyddet fästas på glaset, detta görs med hjälp av EVA, ett plastmaterial med god ledningsförmåga och relativt hög smältpunkt [6]. Temperaturen kan bli ganska hög vid ljusabsorption, och låg temperaturkänslighet eftersträvas alltid eftersom verkningsgraden vanligen minskar vid högre temperatur. Som bottenplatta används t.ex. aluminium, eller en polymerplast som valts ut för att få högsta möjliga energiutvinning då elektronerna avges från solcellen. Sedan seriekopplas cellerna i ledarmaterialen (via kontakter) och det läggs på ytterligare ett lager EVA på både över och undersidan. Därefter läggs modulen i vakuum och utsätts för så hög temperatur att EVA smälter och vakuumförpackar cellerna och förseglar utrymmena mellan glaset, solcellen och bottenplattan. Detta för att luftbubblor kan ställa till med stor skada då de expanderar vid högre temperatur, som ju blir vid användning.

 

2. En del förbättringar som ligger i tiden

Vid tillverkningen av tidigare nämnda standard-kiselsolcell kan produktionskostnaden minskas genom att minska den tid solcellen hettas upp. Tidigare tog denna process flera dagar, men forskningen tyder på att det kan gå mycket fortare och energi sparas. För att minska produktionskostnaderna måste åtgången av kisel minska. En ny metod eliminerar kravet på att kislet måste sågas upp i bitar, vilket ger resultatet att spillet blir lågt och kostnaden hålls nere [8].

 

8. Tillämpningar
1. Solcellssystemens uppbyggnad

I Solcellsapplikationer används enstaka celler eller solcellsmoduler. Modulerna kan byggas så att de levererar spänningar och strömmar som önskas genom att parallell- eller seriekoppla solceller. Vanligtvis brukar spänningarna på modulerna vara 12/24 V DC, detta p g a av att många produkter på marknaden kräver dessa spänningar. Stora system, som kan leverera betydligt större effekt, kan byggas genom att i sin tur serie eller parallellkoppla modulerna. Ett typiskt solcellssystem består av en modul, batterier, laddningskontroll, kablage samt olika typer av laster (t ex belysning radio/tv, kylskåp). Om lasten kräver en annan spänning än vad modulen ger eller drivs med Ac så måste spänningen anpassas. Detta sker antingen med spänningsdelning eller med en inverterare. Vad som är viktigt att tänka på är att energi förloras vid varje anpassning. Idag kan solcellsapplikationer delas in i två huvudgrupper nätverksanslutna- och ickenätverksanslutna system.

För att förbättra effekten används olika typer av förstärkning, linje- och punktfokuserare, parabolisk koncentrator och speglar. Linjefokuserare fungerar på följande sätt. Genom att lägga solceller på en linje och över dessa applicera en cylindrisk lins erhålles en förstärkning motsvarande 70 ggr solen. Punktfokuserare består av en sfärisk lins som appliceras över en solcell. Tandemsolceller av GaAs/GaSb har med punktfokucerare nått en förstärkning motsvarnde 1000 ggr solen. Ett annat sätt att förbättra effekten är att sätta modulerna på en solföljare. En solföljare rör sig antingen runt en axel, vilket resulterar i att modulerna följer solen under dagen men infallsvinkeln ändras. Att infallsvinkeln ändras gör att det blir effektförluster. Genom att använda två axlar kommer modulen alltid att vara vinkelrät mot det infallande ljuset, vilket medför att vi erhåller maximal effekt. Solföljarna har den nackdelen att de kräver underhåll.

 

2. Icke-nätverksanslutna system

Det finns ett stort antal applikationsområden inom denna grupp. De största är rymd-, industriella-, bostads- och konsumentapplikationer. Dessa självförsörjande system dominerar marknaden och dessutom har de ett möjligt tillväxtområde hos u-länderna. Solcellstekniken stödjs av nationella och internationella organisationer, bl a WHO och Världsbanken. Erfarenheter från försöksanläggningar för kylning av mediciner, vattenrening, vattenpumpar och belysning är i U-lands sammanhang mycket positiva.

Exempel på industriapplikationer har vi vattenpumpen där solcellsystemen kan ersätta handpumpar och stora maskindrivna bevattningssystem. I många pumpsystem behövs inget batteri utan en del av vattnet som pumpats upp sparas och används som reservoar. Katodskyddet är en annan tillämpning. Metall-korrosion orsakar skada på rör, tankar, kajplatser, broar, byggnader och båtar. Strömmen från solcellerna motverkar den elektrolytiska korrosionen på dessa strukturer. Kommunikations-systemsapplikationer var en av de första tillämpningarna . Redan på 60-talet kom de första telefonkioskerna som drevs med solenergi och nästan sammtidigt fick många fyrar solkraft. Idag finns finns det betydligt fler områden, som t ex att driva sändare och mottagare för radio och television. I Sverige drivs bl a SOS telefoner på fjällen med solcellskraft. Belysning är en annan viktig grupp. Det finns gatubelysning, skyltbelysning och framför allt trafiksignaler på glesbyggden.

Bostadsapplikationer inkluderar främst icke nätverksanslutna bostäder men även sommarstugor, husvagnar och båtar. Dessa solcellsystem är större och kan generera tillräcklig effekt för att driva de olika laster som nämts tidigare. Det finns applikationer som används utomhus och räknas till denna grupp, tex elstängsel och belysning. Det finns takpannor med inbyggda solceller där både energi och byggnadsmaterial integreras.

Konsumentprodukter där miniräknaren var den första kommersiella produkten lanserades i början på 1980-talet. Idag finns det fler produkter som klockor och radioapprater, gräsklippare mm. Det kommer nya tillämpningar varje år.

Rymdindustrin har sedan 1958, då Vaguard skickades upp använt solcellsystem som kraftkälla till satelliter och rymdprobar. De viktigaste kriterierna för dessa system är deras vikt och tillförlitlighet.

 

3. Nätverksanslutna system

I början av 1970-talet växte visionerna fram om storskaliga solcellskraftverk som skulle ersätta kol-, olje- och kärnkraftverk. Tidiga installationer från 1979 till 1982 hade stora problem mycket beroende på att kapslingarna runt solcellerna havererade. Under denna tid användes första och andragenerationens solcellsmoduler. Kraftverk med tredjegenerationens solcellsmoduler, som producerade MW, byggdes 1983 . Flertalet av dessa kraftverk är idag fortfarande i drift och tredjegenerationens moduler används numera som en standard. Problemet för dessa kraftverk är att de är för dyra jämfört med andra alternativ. En annan nackdel är att kraftverken kräver stor yta, dessutom är många rena testanläggningar, men om solcells tekniken blir bättre och billigare kan dock dessa kraftverk bli en av framtidens stora elproducenter.

Idag finns det två kommersiella alternativ som kopplas till nätverk. Det första alternativet är integrerade system vilka, ingår i det globala nätverket. Ett exempel är om vi bygger ett hus som ligger längst ut på en linje där laster längs kabeln och resistiviteten i kabeln försämrar kraftkvaliteten. Detta resulterar i spänningsförluster vilket medför att vi måste uppgradera nätet. Uppgraderingar är dyrt och tar lång tid. Här kan, längs nätet, det istället kopplas på ett solcellsystem som i detta fallet blir ett billigare alternativ.

Distribuerandesystem är det andra alternativet. Med detta avses solcellssystem som är kopplade till individuella byggnader. Dessa byggnader är även kopplade till nätverket och tar elektricitet från nätverket, då deras behov överstiger sin egen produktion, eller ger kraft till nätet vid överproduktion. Priser för elektricitet som säljs till nätverket bestäms i en del länder av staten eller förhandlas fram mellan husägarna och den lokala elleverantören.

 

4. Utvecklingsscenarion för solcellsindustrin.

Framtiden för solceller är idag oviss. Frågan är om de kommer att spela en stor roll för elproduktionen , eller som idag, användas där det inte finns andra alternativ, tex i rymden.

Vi tar här upp två scenarion: Busniess as Usual (BAU) och Accelererat scenario [9]. BAU scenariot bygger på kontinuerligt låga priser på gas och olja och en låg prioritet på förnyelsebara alternativ, inget internationellt intresse för de sociala kostnaderna, samt ett allmänt ointresse för energi.

Det accelerade scenariot i tabell 2, bygger på antagandet att det sker en årlig prisökning på olja och gas på 3 % och att staten snabbt satsar mer pengar på utveckling, ett internationellt intresse för de sociala kostnaderna genom att betala mer för förnybarenergi än förkolväte och kärnkraftsalternativen, att vi verkligen blir angelägna för energi och miljö samt påverkar u-länderna att satsa på förnyelsebar energi genom internationellt betalda projekt.

Världsmarknads prognos för solcellssystem:

[1] J.Braun, O.Lindström, L.Lungren, D.Sigurd, L.Stolt, 1988, Elframställning för framtiden, Stockholm, Snergiforskningsnämden, Efn-rapport, nr 26, ISBN 91-24-16333-3, ISSN 0281-0301.

[2] Jeppson, K. O. (1984) Halvledarteknik. (1987). Lund: Studentlitteratur (ISBN 91-44-21101-5).

[3] Hugh Cook. (Augusti 1996) Photovoltaics pushes the commercial envelope, Building Design & Construction, 52.

[4 ] Bagge, S.; Gustavsson, M.; Haglund Å. (1997) Solceller - en jämförelse utifrån funktion, tillverkning och miljöpåverkan. Göteborgs universitet, Institution för fysik, Naturvetenskaplig problemlösning/projektarbete.

[5] Eriksson, L. (Sverige, 1998) ny teknik 98:9. Energisnåla radhus klarar sig utan uppvärmning.

[6] Djärf, Å. (1996-97). Solceller; en energisnål konstruktion. http://hem1.passagen.se/aaked/solcell.htm (Acc. 98 03 20).

[7] Mazer, J.; Partain, L. (1997) Solarr cells: an introduction to crystalline photovoltaic technology. Kluwer Academic Publ. 216.

[8] Mark Crawford, (26:e Juni, 1996) PV innovators challenge industry titans. Energy Daily, 10.

[9] P.D.Maystock, 24th IEEE Photovoltaic Specialists Confernce(NewYork,1994), pp.694-699. vol.1.

Alonso, M. & Finn, E. (1992). Physics. United States of America: Addison-Wesley (ISBN 0-201-56518-8).

Danny Chapchal (1996). Light Emitting Polymers - Technology Backgrounder. http://www.cdtltd.co.uk/management.html (Acc. 98 03 22).

Dr. K. Kalyanasundaram (1995). A new type of solar cell based on sensitized, nanocrystalline semiconducting oxide films. http://dcwww.epfl.ch/icp/ICP-2/solarcell_E.html (Acc. 98 03 20).

L.D.Partain (1995) Solar Cells and their Applications, New York:JOHN WILLEY & SONS, INC. ISBN 0-471-57420-1.

S.Roberts. (1991). Solar electricity A practical guide to designing an nstalling small photovoltaic systems, Hertfordshire: Pretice Hall International. ISBN 0-13-826314-0.

R.Hill. (1996). From solar cell research to a photovoltaic industry, Physica-status-solidi-B. Vol.194, no:1, p.7-14.

Roman, L.; Andresson, M.;Yohannes, T.; Inganäs, O. (1997) Photodiode Performance and Nanostructure of Polythiophene/C60 Blends. Advanced Materials, 9(15), 1164-1168.

Ulrika Björksten (1996). Svenska solceller i toppklass. http://www.nyteknik.se/arkiv96/96-36/96-36-celler.html (Acc. 98 03 12).