I de tidligere denne serien har jeg fortalt hvordan lys kan frigjøre ladninger i en solcelle og hvordan man bruker dopede halvledere til å lage en pn-overgang som sørger for at man kan utnytte energien i ladningene. Man kan si at hittil har det handlet om prinsippene, mens i dag tenkte jeg å si litt om de tekniske detaljene ved en solcelle.

En nokså standard industrielt produsert solcelle består hovedsaklig av p-dopet silisium, med et tynt lag n-dopet silisum på toppen. De to lagene til sammen har en tykkelse på noe slikt som 140 - 200 mikrometer (1 mikrometer = 0,001 mm). Disse cellene er laget fra blokker med svært rent silsium som blir saget* opp i skiver av ønsket tykkelse, og størrelsen er bestemt av blokken man sager fra. En typisk solcellevaffel (wafer) er noe slikt som 10 x 10 cm.

Når man belyser en solcelle vil det hope seg opp positive ladninger på den ene siden, og negative på den andre. For at man skal kunne benytte disse ladningen til noe, som jo er hele poenget, trenger man kontakter. På baksiden er ikke det noe problem, man kan for eksempel dekke hele baksiden med aluminium, som er en utmerket elektrisk leder. På forsiden er det ikke fullt så enkelt. Siden forsiden er den siden som skal slippe lys inn i cellen kan man ikke dekke den med metall, siden metall vil reflektere lyset bort. Den vanligste løsningen er å legge på et par striper av metall med tynnere forgreninger ut til siden, som er opphavet til stripene man kan se hvis man kikker nærmere på en solcelle. På forsiden av cellen er det i tillegg ganske vanlig å legge på et antirefleks-lag.



En slik celle er omtrent 17% effektiv, som betyr at 17% av energien i sollyset som treffer cellen kan hentes ut som elektrisk energi. 17% høres kanskje ikke så mye ut, men det er faktisk ikke så verst. For en vanlig solcelle kan man faktisk ikke komme høyere enn rundt 33% effektivitet. For å forstå hvorfor det er slik trenger vi å huske det vi så tidligere om båndgap i halvledere. Det er kun de fotonene som har energi høyere enn båndgapet som kan eksitere et elektron, og dermed bidra til produksjon av strøm. Allerede her mister man mye effektivitet, da en vesentlig andel av lyset fra solen har energi lavere enn båndgapet til silisium.

Videre er det slik at hvis et foton har høyere energi enn båndgapet er denne ekstra energien bortkastet. Elektronet som eksiteres får i utgangspunktet all energien til fotonet, men nesten umiddelbart vil elektronet kollidere med andre elektroner og miste energi til det faller ned til bunnen av ledningsbåndet, og når vi henter ut ladningene er det denne energien vi får ut. All energien over båndgapet går bare med til å varme opp cellen, og bidrar dermed ikke til effektiviteten. Det betyr altså at det absolutt beste man kan oppnå med en standard solcelle er 33% effektivitet, hvis man har helt perfekte materialer, ingen refleksjon, ingen motstand, etc. 17% er dermed ikke så verst for masseproduserte celler.



Det finnes naturligvis måter å øke effektiviteten utover 33%. Man kan for eksempel bruke celler som har mer enn ett båndgap, slik at man kan få bedre utnyttelse av fotoner med høyere energi. Slike celler kalles enten tandem-celler, som enkelt sagt består av to celler oppå hverandre, der den øverste cellen absorberer en del av solspekteret, og slipper resten igjennom til den andre, eller mellombånd-celler (intermediate band), som er laget av et materiale som har flere båndgap. På denne måten kan man komme opp i effektiviteter på over 60%. Begge disse teknologiene er demonstrert i laben, men de er ofte veldig dyre å lage, så vi er nok et stykke unna masseproduksjon.

Hvor mye energi som er i lyset fra solen varierer naturligvis. Utenfor atmosfæren er intensiteten rundt 1350 watt pr kvadratmeter, men noe blir naturligvis absorbert og spredt i atmosfæren, så her på berget tror jeg vi maks kommer opp i rundt 900 watt pr kvadratmeter midt på dagen om sommeren. Det vil altså si at hvis man har en solcelle på en kvadratmeter og som er 17% effektiv, og man peker den rett mot solen, kan man få ut 900 x 0,17 = 153 watt. Gjennomsnittet i løpet av et år er naturligvis noe lavere, siden lyset må passere gjennom mer atmosfære når solen står lavere på himmelen. I tillegg er det ikke arealet på solcellen som teller, men hvor stort arealet solcellen skygger for, så med mindre man har et mekanisk system som hele tiden peker solcellen mot lyset får man maksimal effekt kun midt på dagen. Et slikt system koster en hel del, både i installasjon og vedlikehold, så det vanligste er å bare sette opp solcellene mot sør og håpe på det beste.



-Tor Nordam

*Denne sageprosessen er nokså lite effektiv. Man bruker en trådsag som er ca 100 mikrometer tykk, som betyr at hvis du sager ut vafler på 140 mikrometer går rundt 36% av silisiumblokken bort i sagflis. Det finnes egne firmaer som har som bissniss å gjenvinne silisium fra sagflis, men likevel, hvis man kunne finne en bedre måte å kutte opp vafler på er det et stort forbedringspotensiale.