Allerede i 1839 gjorde den franske fysikeren Alexandre Edmond Becquerel den oppsiktsvekkende oppdagelsen: Når lys (foto) faller på visse stoffer, oppstår spenning (voltaisk). Men hvordan fungerer det med solceller? Vi forklarer hvordan de fungerer.
Etter oppdagelsen tok det 120 år for solceller å tjene som energikilde for de første satellittene og romfartøyene. I mellomtiden har solcellen blitt en populær leverandør av strøm til energisparere
Dette er hva solcellen består av
Bare visse materialer kan konvertere lys til elektrisitet, det ene er silisium. Mer enn 90 prosent av alle solceller er laget av silisium. Dens fordel: Råstoffet kvartssand er tilgjengelig i tilstrekkelige mengder på jorden, og silisium er miljøvennlig.
Lys løsner elektroner i grensesjiktet (grønt) som strømmer utover via lyspæren.
En krystallinsk solcelle består vanligvis av to lag silisium - sammen to til tre tideler av en millimeter tykk.
På solsiden er silisiumet bevisst ispedd fosforatomer. For å si det enkelt, har fosforatomer en negativ elektron for mange (dvs. negative). Boratomer sitter på den andre siden av cellen - de har ett elektron for få (dvs. positive). De negative og positive lagene berører hverandre.
Elektrisitet strømmer fra solcellen via ladekontrollere og omformere til batteriet eller strømnettet.
Med lys for strømmen av strøm
Når lys treffer cellen, settes elektroner i bevegelse. Når de kommer i gang, hopper de over grensen fra det negative til det positive laget, der det mangler elektroner - andre beveger seg oppover. Elektronene vandrer tilbake til sitt gamle lag på undersiden av cellen via et metallgitter (kontaktfinger), kabel og bærerplate (kontakt). Når kretsen er lukket, strømmer elektrisk strøm. Jo flere lysstråler som treffer elektronene, jo mer produseres strøm. Hvis bestrålingen forblir den samme, avhenger kraftforsterkningen bare av overflaten. Jo større overflate, jo høyere strømstyrke. Hvis solen skinner sterkere, produserer solcellen mer strøm. Dette er likestrøm da det også lagres i batterier. Solceller kan imidlertid ikke lagre strømde leverer det.
Solmodulen
Solceller kan ikke arbeide utendørs uten beskyttelse. De må være under et deksel: modulen.
Flere solceller er koblet sammen for å danne en enhet i modulen. Krystallinske celler strammes sammen og kobles til hverandre. Trådene er pakket i plastfolie og plassert mellom to glassplater. Tynnfilmteknologien produserer en stor celle når glassplaten fordampes. En laser kutter dem i strimler som er sammenkoblet.
En strømforsyningsenhet, også kalt en inverter, konverterer likestrøm generert av modulene til vekselstrøm (230 volt vekselspenning). Den genererte strømmen mates helt inn i det offentlige nettet. Dette avlønnes i samsvar med “Lov om fornybar energikilde” (EEG).
To typer: krystallinske og amorfe solceller
Det er to typer solceller: krystallinske og amorfe. Krystallinske celler står for rundt 80 prosent av den globale produksjonen.
Monokrystallinske solceller: Utgangsmaterialet er dyrt ultrarent silisium, som ekstraheres fra en silisiumsmelte i en tidkrevende og kostbar prosess, presses i stenger og kuttes i skiver opp til 12 centimeter i diameter. I monokrystallen er alle atomer justert på samme måte. De blå til svarte, på forespørsel også forskjellige fargede celler, utnytter solstrålene i laboratoriet opptil 24 prosent; i praksis imidlertid bare opptil 16 prosent.
Multikrystallinske solceller: Industrielt produsert polysilisium er billigere enn produksjon av monokrystaller. I praksis er effektiviteten til de blålige cellene 11 til 14 prosent.
Krystallinske celler mister knapt effektiviteten selv i flere tiår.
Amorfe solceller
De billigere amorfe cellene egner seg for vannfunksjonene i hagen eller husholdningsvekten i huset, så vel som på store fasader. Hvis plassen til et stort solcelleanlegg er begrenset, fungerer de krystallinske cellene mer effektivt.
Slik bygges amorfe celler: Det strømgenererende laget fordampes på en glassplate. Atomene lagres ikke lenger i en krystallstruktur, men på en uordnet måte (amorf). Denne prosessen krever relativt lite silisium: det senker prisen. Sammenlignet med de 0,2 til 0,3 millimeter tykke krystallinske celler, måler tynnfilmceller bare 0,01 til 0,05 millimeter. Cellene er brune eller antrasitt og har en virkningsgrad på seks til syv prosent. På dystre dager lever amorfe celler mer strøm enn andre.
Effektiviteten til amorfe celler synker med årene: etter 20 år er det rundt 70 prosent av den opprinnelige produksjonen.
Moderne solmoduler kan også installeres diskret på terrassetaket eller carporten.
ny teknologi
To nyere tynnfilmceller fungerer uten silisium: materiale laget av kobberindiumdiselenid (CID) og fra kadmiumtellurid (CdTe). De nye cellene blir for tiden brukt i pilotanlegg. Fremtidens teknologi er en ny tynnfilmprosess der et krystallinsk silisiumlag påføres et bærermateriale. Dette kombinerer høy effektivitet av krystallinske celler med lavt materialforbruk av tynnfilmceller.
Er det noen grenser for ytelse?
Som forklart ovenfor oppnår monokrystallinske moduler de høyeste effektivitetsnivåene, etterfulgt av polykrystallinske solmoduler. Fordelene med de monokrystallinske modulene oppveies imidlertid av de høye energiforbrukene og kostnadene for dyrking av silisiumkrystallene. En nyere utvikling kan ha et stort potensiale her: de kvasi-monokrystallinske modulene. Dette er polykrystallinske moduler som takket være et spesielt kontrollsystem har lignende egenskaper som monokrystallinske moduler under krystallvekst.
Effektiviteten til et stoff kan ikke videreutvikles etter ønske og har naturlige grenser - fordi materialet bare kan behandle bestemte bølgelengder av lys. Når det gjelder monokrystallinske silisiummoduler, er høyest mulig grad av effektivitet rundt 29 til 33 prosent - i teorien.
Har dette nådd slutten av flaggstangen? Nei, fordi ny teknologi også skaper nye muligheter. Såkalte tandemsolceller kan for eksempel øke effektiviteten ved hjelp av et enkelt prinsipp: Hvis du stabler forskjellige materialer for forskjellige deler av lysspekteret oppå hverandre, økes også effektiviteten. Mer enn 40 prosent er allerede oppnådd, og mer enn 80 prosent kan tenkes for fremtiden.
Den naturlige effektiviteten blir også raffinert ytterligere. Japanske forskere kunngjorde en ny effektivitetsrekord for silisiumsolceller på 26,3 prosent tidlig i 2017. Det er ikke langt fra den materialspesifikke grensen. Imidlertid gjelder følgende her: En høyere grad av effektivitet gjør bare solenergi billigere hvis produksjonskostnadene ikke stiger i samme grad.
