Solceller

30. september, 2016
Animasjon: UngEnergi

Det geniale med solceller er at de gjør energien i sollyset direkte om til elektrisitet. Man slipper å gå omveien om vind- eller vannkraft for å hente ut energien fra sola. Dette er jo vel og bra, men hvordan gjøres egentlig dette? Og hvis det var slik at solcellene er en så fantastisk snarvei til solas energi, hvorfor har vi ikke solceller overalt?

Sammendrag
En solcelle overfører sollyset direkte til elektrisk strøm. Animasjonen under viser i korte trekk hvordan dette skjer.
Et solcellepanel består av flere solceller som er seriekoblet. Seriekobling betyr at cellene er koblet etter hverandre.  Ved å koble sammen flere solcellepanel og øke arealet kan vi øke effekten ytterligere. Dette gjøres ved å parallellkoble panelene.

 

Noen solceller fungerer bedre enn andre, selv om de har samme areal. Vi sier at virkningsgraden er ulik. Kort forklart betyr virkningsgrad hvor mye av den tilførte energien som kommer ut som nyttbar energi. For solceller tilsvarer dette forholdet mellom soleffekt inn (solinnstråling) og elektrisk effekt ut (produsert strøm). Et normalt silisiumspanel har en virkningsgrad på 16-20%.

Hva: Måleenhet Symbol Forklaring:   Serie/Parallellkopling:
Strøm A (ampere) I Elektrisk strøm er elektroner i bevegelse. Jo flere elektroner som strømmer gjennom lederen, jo sterkere er strømmen. Parallellkopling øker strømmen.
Spenning V (volt) U Elektrisk spenning er kraften elektronene blir dyttet med, eller trykket. Seriekobling øker spenningen
Effekt W (watt) P Energi pr. sekund/ arbeid utført per tidsenhet. Et mål på hvor fort energien overføres.

I denne teksten forklarer vi prinsippene litt mer detaljert og trekker inn andre relevante begreper.
Omkring 95 % av alle solceller som blir produsert i dag lages av silisium. For å forstå hvordan et solcellepanel virker, må vi derfor først se litt nærmere på dette grunnstoffet.

Silisium, doping og elektronvandring – Slik virker et solcellepanel

Silisium er grunnstoff nummer 14, og har 4 elektroner i det ytterste skallet. Silisium og alle andre stoffer ønsker å oppfylle oktettregelen, som vil si å ha 8 elektroner i det ytterste skallet. Silisium er et grunnstoff hvor atomene er bundet til hverandre i et krystallgitter. I gitteret deler naboatomer elektronene mellom seg, og på denne måten får alle atomene 8 elektroner i det ytterste skallet (de oppfyller oktettregelen). En slik krystall leder i utgangspunktet elektrisk strøm dårlig. Ved å dope silisium, det vil si tilsette små mengder av andre materialer, kan vi endre egenskapene til silisium slik at det blir svakt ledende.

Silisium+gitter
Silisiumatom med 4 ledningselektroner og silisium i gitterstruktur
Illustrasjon: UngEnergi

 

I ei solcelle er silisiumet som regel dopet med bor (atomnummer 5) og fosfor (atomnummer 15). Når vi doper silisium med bor, blir det «mangel» på elektroner (de fyller ikke opp alle ytterskallene). Bor har nemlig bare tre elektroner i ytterste skall, mens silisium som sagt har fire. Dette kalles for p-doping, positiv doping, fordi det blir ledige elektronposisjoner i gitteret. Disse ledige posisjonene kaller vi «hull». Det betyr ikke at materialet er «positivt ladet», p-dopet materiale er fortsatt elektrisk nøytralt. (Det har beholdt alle protoner og elektroner og er altså ikke et ion.)

 

Det motsatte skjer når vi tilsetter fosfor. Siden fosfor har fem elektroner i det ytterste skallet vil det bli overskudd på elektroner. Dette er n-doping, altså «negativ doping». Elektronene som blir til overs i gitteret lar seg lett flytte på.  Også n-dopet silisium er elektrisk nøytralt.
Ei solcelle er p-dopet med et tynt n-dopet lag nærmest overflaten som skal belyses.

 

©UngEnergi
Illustrasjon: UngEnergi
©UngEnergi
Illustrasjon: UngEnergi

Fordi n-siden av solcellen har overskudd av frie elektroner, og p-siden har for få, vil en del av elektronene flytte seg over fra n- til p-siden. Vi kan se for oss at overskuddselektronene i det n-dopede materialet blir tiltrukket av de ledige hullene i de p-dopede materialet. Etter hvert som elektronene forflytter seg over grensen til det p-dopede materialet vil den n-dopede delen bli positivt ladet, mens p-siden som får elektroner blir negativt ladet. Vi får en ladningsforskjell mellom n- og p-siden, n-siden blir svakt positiv og p-siden svakt negativ.

©UngEnergi
Illustrasjon: UngEnergi

Før elektronvandringen er begge sidene nøytrale. Når elektronene vandrer fra n-siden til p-siden, mister n-siden elektroner og blir derfor svakt positivt ladd. P-siden får elektroner og blir derfor negativt ladd.

 

Når de frie elektronene finner ledige plasser i hullene på p-siden vil det i et tynt sjikt mellom n- og p-siden være svært få frie ladninger, vi kaller dette sjiktet et «utarmingssjikt».

 

Utarmingssjiktet fungerer isolerende. Fordi det er en ladningsforskjell over sjiktet og sjiktet har svært få frie ladningsbærere sier vi at det dannes en barriere mellom den n-dopete siden og den p-dopete siden. Til slutt vil denne barrieren hindre at flere elektroner forflytter seg mellom n- og p-siden, og det oppstår en balanse.

solceller hull-bevegelse samlet
Illustrasjon: UngEnergi

 

Energien fra et lysfoton har likevel mulighet til å slå løs elektroner i utarmingssjiktet. Spenningen (potensialforskjellen) over sjiktet gjør at elektronene som slås løs raskt beveger seg over mot n-siden. Hullet som oppstår når elektronet slås løs, fylles av elektroner fra p-siden. Da dannes det et nytt hull på p-siden som fylles av et annet elektron. På denne måten beveger hullet seg innover i p-siden. Hvis solcellepanelet er koblet opp i en sluttet krets, vil elektronet forflytte seg gjennom denne og tilbake til p-siden. Skjer dette gjentatte ganger, får vi generert en strøm.
Denne rekken med figurer illustrer hvordan hullet beveger seg innover i p-siden. «Kjedereaksjonen» starter når et lysfoton slår løst et foton i utarmingssjiktet.

 

Det n-dopede sjiktet (oversiden av solcellen) er tynt i forhold til p-området, slik at lyset når inn i utarmingssjiktet.

©UngEnergi
Illustrasjon: UngEnergi

 

Etter elektronhoppene vist i illustrasjonen over blir det et overskudd av ladninger på n-plata (den negative elektroden på oversiden av solcellen) og et underskudd av ladninger på p-plata (den positive elektroden på undersiden av solcellen). Men på grunn av spenningsforskjellen (potensialforskjellen over utarmingssjiktet) kan ikke elektronene vandre tilbake igjen.  Kobler vi solcellen opp i sluttet krets, som vist på figuren til venstre, vil elektronene forflytte seg gjennom kretsen og til hullene i p-plata (positive elektroden). Skjer dette gjentatte ganger får vi generert strøm.

Strøm, spenning og effekt – ampere, volt og watt

Solcellepanelet generer elektrisk strøm. En elektrisk strøm er elektroner i bevegelse. Når kretsen er sluttet beveger elektronene seg i kretsen. Jo flere elektroner som strømmer gjennom lederen, jo sterkere er strømmen. Måleenheten for elektrisk strøm er ampere (A) og symbolet som benyttes i formler er I.

 

Elektrisk spenning er kraften elektronene blir dyttet med, eller trykket. Måleenheten for elektrisk spenning er volt (V) og symbolet som benyttes i formler er U.

 

Vi kan sammenligne strømmen av elektroner i lederen med vanndråpene i en hageslange. Jo flere vanndråper som strømmer gjennom slangen, jo mer vann. Lavt trykk i vannslangen gir en svak stråle, mens et høyt trykk gir en sterk stråle. Flere elektroner i bevegelse gjennom lederen gir sterkere strøm. Øker vi trykket (spenningen) vil vannet strømme raskere og mer vann går gjennom slangen (mer strøm gjennom ledningen).

 

©UngEnergi
Illustrasjon: UngEnergi

De fleste elektriske apparater omdanner elektrisk energi til en annen energiform. En kokeplate omdanner elektrisk energi til varme (termisk energi). På elektriske apparater står det ofte hvor mange watt de «bruker». Watt (W) er energi pr. sekund. En kokeplate på 1500 W omdanner 1500 W elektrisk energi til 1500 W termisk energi (i løpet av et sekund). Watt er altså måleenheten for effekt, som er definert som arbeid (energi) utført per tidsenhet. Effekt er altså et mål på hvor fort energien overføres. Når vi kjenner spenningen og strømstyrken kan vi regne ut effekten. I formler benyttes symbolet P(fra engelsk Power) for effekt.

 

Serie- og parallellkobling

Et solcellepanel består av flere solceller som er seriekoblet. Seriekobling betyr at cellene er koblet etter hverandre. Dette gjøres ved å koble den negative polen på den første cellen til den positive polen på den neste cellen. Når cellene seriekobles øker spenningen. Dersom man dobler antall solceller i seriekobling, dobles også spenningen. Formelen P = U · I forteller oss at når spenningen (U) øker må også effekten (P) øke.

 

Ved å koble sammen flere solcellepanel og øke arealet kan vi øke effekten ytterligere. Dette gjøres ved å parallellkoble panelene. Parallellkobling betyr at panelenes positive poler kobles sammen og at panelets negative poler kobles sammen. Ved parallellkobling påvirkes ikke spenningen, men sammenkoblingen gir økt strøm. Økt strøm gir økt også effekt, P = U · I.

 

Seriekobling – øker spenningen
Parallellkopling – øker strømmen

Virkningsgrad

Noen solcellepanel fungerer bedre enn andre til tross for at de har samme areal. Vi sier at de har høyere virkningsgrad. Det betyr at de klarer å omdanne en høyere prosentandel av energien fra sola til elektrisk energi.

 

©UngEnergi
Illustrasjon: UngEnergi

Virkningsgraden er definert som forholdet mellom avgitt elektrisk effekt og mottatt lyseffekt. Dette er et enhetsløst tall (tall uten benevning) mellom 0 og 1, men oppgis ofte i prosent. Den generelle formelen for virkningsgrad er effekt ut/effekt inn. For solceller tilsvarer dette forholdet mellom soleffekt inn (solinnstråling) og elektrisk effekt ut (produsert strøm).
Et silisiumpanel har normalt en virkningsgrad på 16-20 prosent. Ved bruk av andre materialer har man klart å fremstille solcellepanel som har oppnådd en virkningsgrad på litt over 40 % i laboratorieforsøk, men slike panel er svært kostbare og ikke økonomisk lønnsomme.

 

Hvis man da sammenligner et standard silisiumpanel sin virkningsgrad (16-20%) med en vindturbin som har virkningsgrad på rundt 40-45% eller en vannturbin på godt over 90% ser man at solceller har litt å ta igjen. Men med ny teknologi som stadig er i utvikling blir panelene stadig bedre og billigere, og solcelleenergi er et veldig godt alternativ når det gjelder fornybar energi.

Hva kan solceller gjøre i global sammenheng?

Her blir en solkoker brukt til å varme opp vann i Nepal.
Foto: ©iStock.com/0shi

I global sammenheng har solenergi et stort potensiale. I solrike områder kan det bygges store solkraftverk som kan være med på å forsyne elektrisk strøm til flere boliger. Et eksempel på et slikt anlegg er LUZ-anlegget i California. Per dags dato er ikke solcelleteknologi lønnsomt for områder med høyt strømforbruk. Det blir derfor mest brukt på områder som ikke har tilgang til vanlig strømnett, f.eks. på hytta eller på båten. Solceller er også mye brukt til satellitter, og rovere som undersøker Mars.

 

U-land kunne med fordel ha benyttet seg av solcellepanel, da energiforbruket per innbygger er mye lavere i slike land. Elektrisiteten fra solcellepanel kunne blant annet blitt brukt til belysning kjøling, kommunikasjon og TV. U-land er i dag storforbrukere av biobrensel, og mye skog blir derfor hugget ned til både matlaging og varme.

 

Et veldig flott hjelpemiddel mot avskoging er solkokere. I denne artikkelen (Dagbladet) kan du lese om en norskprodusert solkoker. Den er dekket av glass og har en reflektor for å øke effekten av solkokingen, og inni er kokeren sort og isolert. Maten kokes på en skånsom måte fordi makstemperaturen ligger på om lag 100 grader celsius, og dermed bevares de fleste av matens viktige næringsstoffer. I tillegg til at U-land har lavere strømforbruk, har også mange slike land flere soldøgn i året enn I-land som for eksempel Norge. Derfor er det mye energi og hente fra sola.

Økonomiske og miljøvennlige spørsmål

Produksjon av silisium er i dag dyrt og ikke spesielt miljøvennlig. Hvordan kan da solceller være en miljøvennlig energikilde? I følge solcelleforsker Gabriella Tranell har det likevel en stor miljøvennlig gevinst. Argumentet hennes er at du kun bruker karbon når du lager panelet. Dette vil da være det totale utslippet i løpet av hele solcellens liv. Hvis en videre tenker seg at solcellen lever i 30 år, og at den på det tidsrommet har produsert en viss mengde miljøvennlig energi. Da vil forholdet mellom klimagassutslipp og produsert energi være langt bedre enn det fossile brennstoff har. I dag forskes det likevel mye på hvordan en kan produsere silisium på en karbonfri måte.

 

Solcelleproduksjon har alltid vært en dyr prosess. Det går likevel fremover, og en solcelle koster i dag 5 % mindre enn hva den kostet for fem år siden, sier Gabriella, solcelleforsker på NTNU. Hun mener også at kostnadene til produksjon av solceller avhenger av hvor du er i verden. Setter man en solcelle i Australia vil man ha høstet mye mer energi på kort tid, sammenlignet med en solcelle i Norge. I land som har dyr strøm og god tilgang på solenergi er strøm fra solcellepanel like billig som andre alternativer.

 

Norge har veldig lave strømpriser, internasjonalt sett, vi har også dårlig tilgang på solenergi. Dette fører til at solenergi vil bli veldig dyrt for oss nordmenn. Her blir solenergien i størst grad brukt på for eksempel hytter, hvor en ikke har tilgang til andre energikilder. For oss vil solfangere være mer økonomisk enn solceller.

 

Animasjon: ©iStock.com/aurielaki
Når vi vet at det slippes ut mye CO2 for å lage solceller og at den økonomiske og den energimessige gevinsten i Norge ikke er særlig stor, hvorfor satser vi da på solceller slik vi gjør i dag? I følge Gabriella har Norge et globalt ansvar for miljøet. Når man produserer silisium kommer halvparten av energien fra karbon, og resten kommer fra elektrisitet. Norge har mye elektrisitet tilgjengelig i form av vannkraft, slik at vi kan produsere solcellepanelene mye mer miljøvennlig enn f.eks. Kina, som får 95% av sin elektrisitet fra kull. Derfor kan vi produsere for andre land som er mer solrike og kan utnytte solenergien bedre.

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Elektroner i bevegelse. Husk at elektronene beveger seg i motsatt retning av den definerte strøm-retningen.
Rundt atomkjernene svever elektronene i lag (skall). Det innerste skallet kan kun inneholde to elektroner, mens resten inneholder åtte. Oktettregelen sier at ethvert atom søker etter å ha det ytterste skallet "fylt opp", det vil si at det ønsker å ha åtte elektroner i det ytterste skallet, eller to, om det kun er ett skall.
Et foton kan sees på som en "energipakke" eller som en "lyspartikkel" med nok energi til å rive løs andre elektroner.
En elektrode kan sees på som en “stav” som fører elektroner (strøm), brukt i forbindelse med elektrolyse. Når du har to elektroder med spenning mellom dem kalles den negative katode og positive anode.