Solceller omdanner sollys til elektrisk energi. Ettersom sola er en fornybar ressurs er dette en klimavennlig måte å produsere strøm på, men hvordan gjøres det egentlig? Denne teksten skal undersøke hvordan en solcelle fungerer og hvordan det brukes i Norge og verden i dag.
En solcelle består hovedsakelig av en tynn silisiumskive som er delt i to deler. Når sollys treffer solcellen vil energien fra lyset kunne “slå løs” et elektron fra den nedre delen av silisiumskiven slik at det går opp til den øvre. Når dette skjer mange nok ganger vil det oppstå en ubalanse i solcellen. Elektronene ønsker å gå tilbake til den nedre delen, men kan ikke gjøre det på grunn av en enveis-barriere mellom delene. Om man da kobler på en ytre krets mellom de to delene vil elektronene kunne passere gjennom denne istedenfor, og da genereres det strøm.
Fra 2016 til 2021 ble den globale energiproduksjonen fra solceller mer enn tredoblet. En av grunnene til denne store økningen er at solceller har blitt mye billigere, og da kan det i større grad konkurrere med andre energikilder som for eksempel kull. Her i Norge har det også blitt mer solceller i de seneste årene, men bruken er fremdeles nokså liten sammenlignet med andre land.
Det internasjonale energibyrået anslår at solceller vil spille en viktig rolle på veien mot å nå klimamålene. Det vil kreve enda mer investering, forskning og politiske vedtak for å utnytte solcelleteknologien i størst mulig grad i fremtiden.
Hvordan fungerer et solcellepanel?
Et solcellepanel har som oppgave å generere strøm gjennom å absorbere sollys. For å absorbere så mye sollys som mulig ligger det et tynt antireflekterende belegg på toppen av solcellen. Dette er ofte svart eller mørkeblått fordi mørke farger absorberer lys bedre enn lyse farger. Under belegget ligger det en halvleder som utgjør mesteparten av solcellen. Halvledere er en gruppe stoffer som er unike
fordi de leder elektrisk strøm dårlig, men ved å tilsette små mengder av andre stoffer kan vi endre egenskapene i materialet og dermed kontrollere ledningsevnen. Dette kalles doping. Over 90% av alle solceller er basert på halvlederen silisium, og dette grunnstoffet dopes vanligvis med bor og fosfor. Disse stoffene brukes fordi de har et gunstig antall elektroner i ytterste skall. Når sollys treffer solcellen kan vi lede disse elektronene gjennom en krets. Da genereres det strøm, for strøm er nettopp elektroner i bevegelse.
Doping
Den øvre delen av silisiumskiven i en solcelle blir dopet med fosfor. Ettersom dette grunnstoffet har fem elektroner i ytterste skall, og silisium har fire, vil vi i henhold til oktettregelenOktettregelen sier at et atom ønsker å ha åtte elektroner i det ytterste skallet sitt. få et overskudd av elektroner. Dette kalles n-dopingStår for negativ doping. Det betyr ikke at det oppstår en negativ ladning, for det er fremdeles like mange protoner som elektroner i materialet, og ladningen er derfor nøytral. Navnet kommer av at det i henhold til oktettregelen er et overskudd av elektroner.. Den nedre delen av silisiumskiven blir dopet med bor som har tre elektroner i ytterste skall. Dette kalles p-dopingStår for positiv doping. Det betyr ikke at det oppstår en positiv ladning, for det er fremdeles like mange protoner som elektroner i materialet, og ladningen er derfor nøytral. Navnet kommer av at det i henhold til oktettregelen er et underskudd av elektroner., og her vil det mangle et elektron for å oppfylle oktettregelen.
Vi kan se for oss at den p-dopede siden av silisiumskiven består av hull som kan fylles av elektroner. Overskuddselektronene fra den n-dopede siden vil “se” disse hullene og bevege seg over grensen
for å fylle dem. Når mange av hullene langs grensen er fylt vil det dannes en barriere. Ettersom elektroner (som har negativ ladning) ble mottatt på p-siden vil det her oppstå en negativ ladning, og på n-siden som ga fra seg elektroner vil det oppstå en positiv ladning. Denne ladningsforskjellen fungerer som en enveis-barriere slik at elektroner nå kan bevege seg fra p-siden og over til n-siden, men ikke motsatt veg.
Elektronvandring
Etter doping vil det være en likevekt i systemet. Ingen elektroner ønsker nå å bevege seg over til den ene eller andre siden av silisiumskiven. Når solcellen treffes av sollys vil denne balansen endre seg. Sollys består nemlig av fotonerEt foton kan ses på som en lyspartikkel bestående av energi. På samme måte som alle gjenstander er bygget opp av atomer, er lys bygget opp av fotoner., og når lys treffer en solcelle vil energien fra et foton kunne slå løs et elektron. Elektronet vil da gå over fra p-siden til n-siden, og det dannes et nytt hull på p-siden. Når dette skjer mange nok ganger vil vi ikke lenger ha en likevekt i systemet. Elektroner fra n-siden ønsker nå å gå over til p-siden igjen og fylle hullene som er blitt dannet, men barrieren mellom sidene hindrer dem fra å gjøre dette. Det vi kan gjøre da er å koble sammen sidene gjennom en ytre krets. Elektronene vil da bevege seg gjennom kretsen og generere strøm.
Kobling av solcelleplater
Et solcellepanel består av flere individuelle solceller som er koblet sammen i serie eller parallell. 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 en seriekobling dobles også spenningen. Ved å koble sammen flere solceller i parallell får man økt strøm. Parallellkobling betyr at cellenes positive poler kobles sammen og at cellenes negative poler kobles sammen. Modulene som solcellene er koblet på beskytter de fra slitasje.
Bruk av solceller i verden
I 2021 ble det produsert 1003 TWh energi fra solceller i verden. For å sammenligne er dette 3,6% av den globale kraftproduksjonen, og mer enn seks ganger så mye kraft som Norge produserte totalt det samme året. I 2016 var den globale energiproduksjonen fra solceller på 329 TWh, noe som vil si at produksjonen tredoblet seg over en periode på fem år. En av grunnene til denne store økningen er at solceller har blitt mye billigere. I mange deler av verden er prisen for å bygge nye solparker blitt mindre enn prisen for å bygge nye kullkraftverk, og det blir stadig billigere. Om få år vil det til og med trolig være billigere å bygge ut ny solkraft enn det vil være å beholde eksisterende kullkraftverk i drift.
Selv om det er mye bra med solceller har det også noen ulemper, som at de kun fungerer når sola skinner. Det betyr at de vil fungere bedre i de delene av verden med mye sol, men også her vil det veksle mellom perioder med høy og lav produksjon. I periodene der solcellene produserer lite strøm er man avhengig av å bruke andre energikilder, men når sola skinner som mest kan det faktisk produseres mer strøm enn man har behov for. Energien som da blir til overs kan lagres til senere bruk slik at den ikke går til spille.
Les mer om lagring av energi her (UngEnergi.no).
Bruk av solceller i Norge
I Norge er bruken av solceller liten sammenlignet med andre land. I 2021 hadde Sverige og Danmark henholdsvis seks og ti ganger så mange solanlegg som oss. De fleste anleggene her i Norge er små og koblet på private boliger. Forbrukeren vil da få levert fornybar strøm som bidrar til å dekke eget forbruk, og i tillegg kan de fleste av disse mindre anleggene også levere strøm til strømnettet. På solrike dager der solcellene produserer mer energi enn boligen har behov for kan da strømmen selges til andre kunder som er koblet på strømnettet. Solceller brukes vanligvis også på hytter og feriehus, men da er de gjerne ikke koblet på strømnettet.
Det er fort gjort å tenke at solceller ikke lønner seg her i Norge fordi vi er et kaldt land som ligger langt nord, men forholdene er bedre enn man skulle tro. Solceller fungerer nemlig bedre ved lave temperaturer. I tillegg kan snø reflektere sollys som gjør at vi får gode forhold også på vinteren. Til tross for dette vil et solcellepanel i et sydligere land totalt sett produsere mer strøm enn et solcellepanel i Norge. Dette skyldes hovedsakelig mørketiden vi har her i landet. Likevel er bruken økende også her til lands, og vi kan fremdeles utnytte solen langt mer enn vi gjør i dag.
Solceller i fremtiden
Solceller er en god teknologi for å produsere strøm fra solenergi, men det betyr ikke at de ikke kan forbedres. En av ulempene med solceller er at de har en relativt lav virkningsgrad. Virkningsgraden til dagens solceller er på ca. 20%. Det vil si at 20% av solenergien som treffer solcellen blir omgjort til strøm. For å sammenligne har vannkraftverk en virkningsgrad på ca. 90%, og vindturbiner en virkningsgrad på ca. 40%. I dag forskes det derfor på nye typer solceller slik at de kan bli enda mer energieffektive i fremtiden.
Les mer om solcellers effektivitet her (UngEnergi.no).
Solceller vil kunne spille en viktig rolle for å løse klimakrisen da det er en fornybar måte å produsere strøm på. Bruk av solceller har allerede økt enormt de seneste årene grunnet nedgang i pris, og dette vil trolig fortsette. For å bli et nullutslippssamfunn innen 2050 anslår det internasjonale energibyrået at den totale mengden strøm produsert fra solenergi, i første omgang, må øke med 25% hvert år frem til 2030. For å få til en så stor økning er teknologien avhengig av mer investering og politiske vedtak.
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en