Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Innholdsfortegnelse
Kompetansemål

Solcellers effektivitet

28. desember, 2019

Denne teksten tar utgangspunkt i at du har lest teksten om solceller fra før av. 

Et moderne vannkraftverk har virkningsgrad på opp mot 95%, flisfyringsanlegg har virkningsgrad over 90% og vindturbiner kan nå opp mot 45% ved ideelle forhold. Solcellene man får kjøpt i dag har derimot en virkningsgrad mellom 20 og 25%. Dessuten viser det seg at det finnes en maksimal virkningsgrad for de mest vanlige solcellene, og den ligger rett rundt 30%. Hvorfor er det slik? Er det mulig å øke virkningsgraden på en eller annen måte? I denne teksten skal vi prøve å finne ut av dette. 

Sammendrag

Når fotoner absorberes i et materiale eksiteres et elektron til et høyere energinivå. For at den energien som absorberes skal kunne gjøre nyttig arbeid (som for eksempel drive en strøm) er det nødvendig at elektronet i den eksiterte tilstanden separeres tilstrekkelig fra hullet (fraværet av elektronet) i starttilstanden. Dette oppnås ved å dope halvlederne. Det viser seg at kun en liten andel av fotonene fra solas innstråling har nok energi til å eksitere elektronene til et høyere energinivå i en solcelle. Dette utgjør omtrent 75 % av sollyset. I tillegg tapes mye av den overflødige energien til fotonene som har høy nok energi til varme i solcellen. Slike tap utgjør omtrent 30 % av sollyset. I tillegg til disse tapene kommer uunngåelige tap som baserer seg på termodynamikk. Disse utgjør omtrent 12% av sollyset. Dette fører til at vi til slutt står igjen med omtrent 33 % av sollyset som kan nyttiggjøres i en vanlig solcelle, og derfor representerer dette den maksimale effektiviteten/virkningsgraden i en slik celle. 

 

For å komme utenom disse tapsmekanismene må man lage helt nye typer solceller. Ofte baserer disse designene seg på å få solcellen til å absorbere en større andel av sollyset med for lav energi, eller å minimere varmetap. Dette kan for eksempel gjøres ved å lage en såkalt tandemcelle, som er to celler bygd oppå hverandre, der den ene er lagd for å absorbere lavenergifotoner, og den andre høyenergifotoner. På den måten går mindre av energien i sollyset tapt. En annen mulighet er å lage ett materiale med disse egenskapene integrert. Ulempen med disse nye designene er at de ofte er kostbare, og at de beste ikke er tilgjengelig på markedet for privatpersoner. De beste solcellene som er lagd i laboratorium har virkningsgrad opp mot 38.8 % (2019). 

 

I løpet av én klokketime mottar jorda mer energi fra sola enn det hele menneskeheten forbruker i løpet av et helt år. Det er derfor åpenbart at dette er en energiressurs vi gjerne ønsker å dra bedre nytte av. Solceller er lagd for å utnytte solenergien direkte til å skape elektrisitet. Virkemåten til solceller er forklart i en annen tekst om solceller , og i denne teksten skal vi se på en litt annen måte å forstå hvordan solcellene absorberer lys. Dette er nødvendig for å forstå begrensningene i solcelleeffektiviteten.

 

I vår tekst om solceller blir det forklart hvordan halvledermaterialer kan konvertere energien fra sollys til elektrisk energi. Når fotoner absorberes i et materiale eksiteres et elektron til et høyere energinivå. For å kunne hente ut denne energien er det en forutsetning at elektronet i den eksiterte tilstanden separeres tilstrekkelig fra «hullet» i starttilstanden, slik at hullet og elektronet ikke umiddelbart finner tilbake til hverandre og frigir den tilførte energi som varme. Dette oppnås ved at halvledermaterialet dopes. For å forstå hvorfor halvledermaterialer er spesielt egnet til akkurat dette og hvordan solcellen absorberer lys er det hensiktsmessig å se på det vi kaller båndstrukturer i materialer. 

Båndstrukturer 

På ungdomsskolen og videregående lærer du om Bohrs atommodell, også kalt skallmodellen. Denne modellen forteller oss at elektronene i et atom kun kan eksistere på visse energinivåer. Dersom man overfører denne modellen til faste stoffer blir bildet litt annerledes. I faste stoffer vil atomene dele på elektronene. Det opprinnelige energinivået splittes i to når to atomer bindes sammen. Når mange atomer sammen utgjør fast stoff vil energinivåene splittes i like mange nivå som atomer. Disse ligger så nær hverandre energimessig at vi kan se på dem som bånd. I faste stoffer kan altså elektronene eksistere i større energiområder. Dette er illustrert nedenfor.

Energinivåene for faste stoffer ligger så tett at de sammen utgjør områder som elektroner kan eksistere i.
Energinivåene for faste stoffer ligger så tett at de sammen utgjør områder som elektroner kan eksistere i.

Det høyeste fylte båndet kalles valensbåndet, og inneholder valenselektronene. Disse kalles også bindingselektroner, nettopp fordi de deltar i bindinger med andre atomer. Det høyeste ufylte båndet kalles ledningsbåndet, og inneholder ledningselektroner. Hvordan disse båndene ligger i forhold til hverandre for ledere, halvledere og isolatorer kan man se på figuren ovenfor. For en leder befinner elektronene med høyest energi seg i et bånd som bare er delvis fylt. Dette fører til at bare en liten påtrykt energimengde fra for eksempel et ytre elektrisk felt kan få elektronene til å flytte seg til høyere ledige energitilstander. Dette kan sammenlignes med en folkemasse på en tribune med mye ledig plass. Da kan folk enkelt bevege seg opp og ned, til venstre og høyre i de ulike radene. Hver rad representerer en elektrontilstand, og hele tribunen representerer ledningsbåndet. Dette gjør at slike stoffer kan lede strøm.

 

Isolatorer og halvledere har et helt fullt valensbånd med elektroner før det kommer et område uten lovlige energinivåer. Dette gapet mellom valensbåndet og ledningsbåndet kaller vi et båndgap. For isolatorer er gapet så stort at det å tilføre energi til elektroner i valensbåndet for å få de opp i ledningsbåndet ikke lar seg gjøre. Det som skiller halvlederne fra isolatorene er størrelsen på dette båndgapet. Ledere leder alltid strøm, isolatorer leder aldri strøm, og halvledere er en mellomting mellom de to. Ledningsevnen til halvlederne kan på grunn av størrelsen på båndgapet lett manipuleres. Det er nettopp størrelsen på dette båndgapet til halvlederne som gjør dem egnet til å lage solceller. Silisium har et båndgap på omtrent 1.1 eV (elektron-volt), men i beskrivelsen som følger tar vi utgangspunkt i et halvledermateriale med et båndgap på 1.31 eV. Beregninger viser at denne båndgapstørrelsen gir den høyeste virkningsgraden.

 

Den maksimale virkningsgraden

For en perfekt solcelle skulle en forvente at virkningsgraden – eller effektiviteten om du vil –  er nær 100%. Grunnen til at dette ikke stemmer, skyldes fundamentale tap som vi aldri kommer utenom. For å se nærmere på tapsmekanismene forbundet med solcellene er det naturlig å ta utgangspunkt i kilden til denne energien, nemlig sola. Sola har en temperatur på omtrent 5500 ℃ , og stråler med ulik intensitet for ulike bølgelengder/farger. Hvordan dette varierer er vist nedenfor. 

Figuren viser hvordan innstrålt energi per tid og areal og bølgelengde fra sola varierer med bølgelengde. Den oransje kurven representerer intensiteten før sollyset har gått gjennom atmosfæren, mens den blå representerer intensiteten etter lyset har gått gjennom atmosfæren. Ved noen bølgelengder er effekten betydelig lavere etter lyset har gått gjennom atmosfæren. Dette skyldes i hovedsak at gasser i atmosfæren absorberer solenergi. Data fra: https://www.nrel.gov/grid/solar-resource/spectra-am1.5.html
Figuren viser hvordan innstrålt energi per tid og areal og bølgelengde fra sola varierer med bølgelengde. Den oransje kurven representerer intensiteten før sollyset har gått gjennom atmosfæren, mens den blå representerer intensiteten etter lyset har gått gjennom atmosfæren. Ved noen bølgelengder er effekten betydelig lavere etter lyset har gått gjennom atmosfæren. Dette skyldes i hovedsak at gasser i atmosfæren absorberer solenergi. Data fra: https://www.nrel.gov/grid/solar-resource/spectra-am1.5.html

Energien fra sola kommer i udelelige pakker. Disse kaller vi fotoner. Fotonenes energi avhenger bare av bølgelengden til lyset – lavere bølgelengde betyr høyere energi. UV-stråling har for eksempel lavere bølgelengde enn synlig lys, og har derfor høyere energi. Dette er grunnen til at UV-stråling er skadelig for blant annet kroppsvev. Dersom fotonene fra sola skal gi opphav til en strøm i solcellen må energien være stor nok til at elektronene fra valensbåndet eksiteres helt opp til ledningsbåndet. Dersom solcellen treffes av fotoner med for lav energi, absorberes ikke energien; solcellen er gjennomsiktig for fotoner med for lav energi. For solcellen vi tar utgangspunkt i, innebærer dette at fotoner med bølgelengder større enn omtrent 950 nm ikke har nok energi til å eksitere elektronene fra valensbåndet og opp til ledningsbåndet. På figuren ovenfor illustrerer det blå området de fotonene som har nok energi, og dette området utgjør omtrent 75% av det totale arealet under den blå grafen. Dette betyr at 25 % av lyset som sola sender ut ikke kan nyttiggjøres direkte i en slik solcelle. 

 

eksitering

Det er imidlertid ikke slik at fotoner med alle bølgelengder under 950 nm kan eksitere elektroner og gi opphav til strøm uten noen former for tap. Dersom energien blir for høy vil elektronene som eksiteres opp til ledningsbåndet ha ledige energinivåer under seg som de umiddelbart heller vil falle ned til. Idet de faller ned fra det høye energinivået i ledningsbåndet til det lave frigis energi i form av varme. Solcellen genererer altså like mye strøm fra hvert foton med energi større enn båndgapet, uavhengig av hvor mye større enn båndgapet denne energien er. Derfor utnytter solcellen størst andel av energien fra sollyset fra fotoner med energi rett over båndgapet.

 

Det kan være nyttig å sammenligne denne situasjonen med et mer nærliggende eksempel. På skissen nedenfor er det illustrert to vannreservoar i et tenkt vannkraftverk – det laveste skal representere valensbåndet i solcellen og det øverste representerer ledningsbåndet. Kanonen som skyter vann fra det nederste reservoaret representerer eksitering av elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet. Dersom man ønsker å lage et vannkraftverk kan man utnytte den potensielle energien som er lagret i det øverste reservoaret. 

Analogivannreservoar

For å få vann fra det nederste reservoaret til det øverste tilfører man bevegelsesenergi til vannet via kanonen. Dersom vannet får for liten bevegelsesenergi av kanonen vil vannstrålen naturligvis ikke nå opp til det øverste reservoaret. Dette er helt analogt med at fotoner som har for lav energi – altså for stor bølgelengde – ikke klarer å eksitere elektroner opp i ledningsbåndet. En vannstråle som får for stor bevegelsesenergi av kanonen vil som vist på illustrasjonen nå mye høyere. Men, vannet blir ikke liggende på toppunktet, det faller selvfølgelig ned til vannoverflaten av reservoaret, og følgelig får vi ikke utnyttet at kanonen forsynte vannet med mer energi i utgangspunktet. Dette er helt analogt med at elektroner som eksiteres av for energirike fotoner faller til lavere ledige energinivå og taper energi til omgivelsene som varme.

 

For vår solcelle utgjør disse varmetapene omtrent 29 % av den innkommende solenergien. I tillegg til disse tapene har man også andre tapsmekanismer man faktisk aldri kommer unna. Det faller langt utenfor pensum i videregående skole å forklare disse mekanismene, så vi nøyer oss bare med å konstatere at dette er termodynamiske tap. I vår solcelle utgjør disse til sammen omtrent 13 %. Disse mekanismene kan vi oppsummere i følgende tabell.

Kilde: Hirst(2011)
Kilde: Hirst(2011)

Her ser vi at den maksimale andelen av solenergien vi kan utnytte i solcellen vår er 32.6 %. I tillegg til disse fundamentale tapene har man også praktiske tap som begrenser virkningsgraden. Dette inkluderer blant annet skygging av solcellen, reflektering av sollys, defekter i materialer, elektrisk motstand i kontakter og så videre. I dag (2019) er man kommet til omtrent 80 % av den teoretiske grensen for de vanlige silisiumsolcellene. Rekorden for disse er på 26.7%.

 

Båndgapets betydning for virkningsgraden

Denne figuren illustrerer de samme bidragene som er adressert i effektivitetsberegningen ovenfor. Med dagens solceller er disse begrensningene uunngåelige, og derfor forskes det i dag mye på solcelledesign der målet er å begrense de lilla og rosa områdene i figuren så mye det lar seg gjøre. Kilde: Hirst (2011)
Denne figuren illustrerer de samme bidragene som er adressert i effektivitetsberegningen ovenfor. Med dagens solceller er disse begrensningene uunngåelige, og derfor forskes det i dag mye på solcelledesign der målet er å begrense de lilla og rosa områdene i figuren så mye det lar seg gjøre. Kilde: Hirst (2011)

I utregningen av virkningsgraden er det tatt utgangspunkt i en solcelle med et båndgap på 1.31 eV mellom valens- og ledningsbåndet. På figuren til høyre ser man at det er båndgap rundt 1.31 eV som gir høyest nyttbar andel av sollyset. Dersom båndgapet er større vil det naturligvis være en større andel av sollyset som har for lav energi, og en mindre andel med for høy energi. På tilsvarende vis vil også et mindre båndgap føre til at andelen av sollys som har for høy energi (det som går til varmetap) vil bli større, mens andelen sollys med for lav energi blir mindre. Dette innebærer at verdiene i effektivitetsregnskapet ovenfor kun gjelder for båndgapet på 1.31 eV. Figuren til høyre viser hvilken andel av sollyset som går til de ulike tapene når vi varierer størrelsen på båndgapet. Her ser vi blant annet at toppen på det grønne området er forholdsvis bredt; båndgap mellom 1 og 1.7 eV gir god effektivitet.

 

Fremtidens solceller 

Dagens solceller har som sagt lav virkningsgrad. I teorien er det kun mulig å utnytte omtrent 30 % av solenergien som treffer jordoverflaten med slike solceller. For å løse dette problemet arbeides det med å utvikle nye typer solceller der den teoretiske maksimale virkningsgraden er mye høyere enn for dagens kommersielle solceller. 

Tandemsolceller 

Tandemsolceller er i prinsippet to eller flere solceller stablet oppå hverandre. For å dra nytte av en større del av solspekteret kan man kombinere en solcelle lagd for å absorbere fotoner med lav energi, og en som absorberer fotoner med høyere energi. I praksis betyr dette at man kombinerer to celler med ulik størrelse på båndgapet slik at en større andel av sollyset lar seg nyttiggjøre i cellen. Beregninger viser at den teoretiske virkningsgraden øker mye med økt antall celler kombinert. Dette er vist i figuren nedenfor.

Venstre: Figuren viser en illustrasjon av en tandemcelle. Den øverste cellen absorberer høyenergi-fotoner, og den nederste absorberer lav-energifotoner. Kilde: pveducation.com Høyre: Figuren viser hvilken andel av sollyset som går til hver av tapsmekanismene når man øker antall celler kombinert i en multi-junction-celle. Kilde: Hirst. (2011)
Venstre: Figuren viser en illustrasjon av en tandemcelle. Den øverste cellen absorberer høyenergi-fotoner, og den nederste absorberer lav-energifotoner. Kilde: pveducation.com Høyre: Figuren viser hvilken andel av sollyset som går til hver av tapsmekanismene når man øker antall celler kombinert i en multi-junction-celle. Kilde: Hirst. (2011)

Med for eksempel tre celler kombinert kan man få en teoretisk maksimal virkningsgrad på 50 %! I dag brukes tandemceller i noen deler av verden, men kostnadene gjør at de stort sett brukes i spesialiserte anvendelser, som for eksempel på satelitter. De vanlige silisiumsolcellene utgjør i dag omtrent 95 % av solcellemarkedet – kun en liten andel av markedet går derfor til nye solcelledesign. Dersom tandemcellene skal kunne ta over større deler av solcellemarkedet som i dag er dominert av silisiumsolcellene, må produksjonskostnadene reduseres betraktelig. Rekorden i virkningsgrad for slike tandemceller er i dag (2019) på ca. 38.8 % (Green, 2019). Slike celler vil framover være viktige der man har liten plass, for eksempel på bygningsfasader. Man kan også kombinere en liten multi-junction-celle med en stor linse, for å generere like mye strøm som i en større og billigere celle.

Mellombåndsolcelle 

Figuren viser en mellombåndsolcelle. Med et ekstra ledningsbånd har man tre ulike tilførte energier som kan eksitere elektronene opp til et høyere ledig energinivå, uten at en taper mye energi til varme.
Figuren viser en mellombåndsolcelle. Med et ekstra ledningsbånd har man tre ulike tilførte energier som kan eksitere elektronene opp til et høyere ledig energinivå, uten at en taper mye energi til varme.

Et alternativ til å lage forskjellige solceller som kombineres til en tandemcelle, er å lage nye materialer som har et ekstra, smalt, delvis fylt ledningsbånd mellom valensbåndet og ledningsbåndet. Dette kalles en “intermediate band solar cell” – en mellombåndsolcelle. Man får på denne måten generert strøm i solcellen også fra fotoner med energi mindre enn det opprinnelige båndgapet. Dette fører til at vi effektivt sett har inkludert tre båndgap i én solcelle, og derfor får vi en virkningsgrad som tilsvarer en trippel tandemcelle. 

 

Beregninger viser at den maksimale virkningsgraden til en slik solcelle vil være omtrent 50 %. Med ny materialteknologi kan man altså overgå begrensningene på dagens solceller. Enda mer aktuelt enn for tandemcellene er det her viktig å være klar over at dette er konsepter som er under forskningsstadiet. Men, utviklingen innenfor solcelle- og materialteknologien har i de siste årene gått så raskt, at det likevel ikke er noen tvil om at solcellene våre kommer til å bli mer effektive enn de er i dag. Fram mot målet om et nullutslippssamfunn i 2050 kan derfor forskning og utvikling av nye solceller spille en vesentlig rolle.

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
Virkningsgraden til et system er definert som \( \frac{\text{nyttbar energi}}{\text{tilført  energi}} \) og betegnes ofte med den greske bokstaven \( \eta \).
Eksitering er en prosess der en partikkel (eller flere partikler) får økt energi. Økningen i energi betegnes ut ifra et referansepunkt, ofte grunntilstanden til atomet. Atomet trives ikke i denne eksiterte tilstanden, og søker mot grunntilstanden. Når en partikkel de-eksiterer vil den overflødige energien frigis i form av fotoner. (snl, 2017)
Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.