Antal besökare sedan 10 oktober 1998:  53566st

Specialarbete, Jonas Wohlin, Nv3a

Blackebergs Gymnasium

Handledare: Claes Aldman

20 april 1998

Index

Sammanfattning

Inledning

Historia

Fysikaliska förkunskaper

Halvledare

Infallande solljus

Monokristallint och multikristallint kisel

Tandemceller

Hur solljus blir el

Behövs mer forskning?

Tunnfilmsceller

Solceller i funktion

Solenergi – potentialen

Slutdiskussion

Källförteckning

Figurförteckning

Av den energi som produceras kommer en mycket stor del från kärnkraftverk samt fossila bränslen såsom kol, olja, och naturgas. I Sverige utnyttjar vi även till stor del vattenkraften.

De två förstnämnda är inte förnyelsebara energikällor och alternativ bör därför ses över.

Idag har vi fem aktuella alternativ till fossila bränslen: kärnkraft, vattenkraft, vindkraft,.

En timmes solinstrålning mot jorden motsvarar hela mänsklighetens årliga energiförbrukning. Kunde vi nyttja 1/1000 av jordytans ökenområden skulle elproduktionen med solceller motsvara den globala elkonsumtionen.

En solcell är uppbyggd av ett halvledarmaterial (vanligen kisel). Detta material har blivit dopat och därefter bildat en pn-övergång. När pn-övergången belyses exciteras elektroner i halvledarmaterialet och laddningar kan separeras. Elektrisk ström kan då ledas ut till en yttre krets. Det finns Idag flera typer av solceller. Kristallint kisel är den idag vanligast förekommande solcellen. Nackdelen med den är att den kräver en stor materialåtgång och blir därmed för dyr för att i framtiden kunna ersätta de konventionella energikällorna. Tunnfilmssolcellen är nu under rasande utveckling. Den har fördelen är dock att det endast åtgår en bråkdel av det dyra halvledarmaterialen. Nackdelen är dock att de inte har lika hög verkningsgrad som den kristallina kiselsolcellen (ca 15 % istället för 25%).

Tunnfilmsceller är nämligen mycket tunna solceller, ca 1 m m i förhållande till de ca 300 m m tjocka kristallina kiselcellerna. Det finns flera olika typer av tunnfilmssolceller och de har fått namn efter de ämnen de är uppbyggda av. Några exempel är Amorft kisel, CdTe- och CIGS-celler.

Strömmen som erhålls från solcellerna är likström. Vill man utnyttja växelström krävs det att man kopplar in en växelriktare.

Solcellen alstrar el utan rörliga kroppar. Det konsumeras ej heller några externa ämnen. På grund av detta är solcellen ett mycket miljövänligt alternativ. Vissa solcellstyper innehåller dock små mängder miljöfarliga produkter. Framgångsrik forskning pågår dock för att ersätta dessa produkter.

Lagringen av solcellsel är en aktuell fråga då cellen producerar som mest då solen skiner som starkas. Ofta behöver man som mest el när solen inte skiner (t ex på vintern och på nätter). Tre alternativ för att lösa detta problem är: batterier, lagring genom hydrolys av vatten till vätgas eller genom buffring med Sveriges vattenkraftverk.

Ett rent vätgassamhälle räknar forskarna ska bli verklighet omkring år 2030.

Ett av världens stora miljöproblem idag är energiförsörjningen. Av den energi som produceras kommer en mycket stor del från kärnkraftverk samt fossila bränslen såsom kol, olja, och naturgas. I Sverige utnyttjar vi även till stor del vattenkraften.

Fossila bränslen leder till luftföroreningar, försurningar av miljön samt bidrar även till växthuseffekten. Samtidigt ska man komma ihåg att de ej är förnyelsebara resurser.

Idag har vi fem aktuella alternativ till fossila bränslen: kärnkraft, vattenkraft, vindkraft, biobränsle och solceller.

Det finns 12 kärnkraftsreaktorer i Sverige. De producerar ungefär hälften av den el vi använder. Kärnkraften innebär dock en ständig risk för olyckor, som de i Tjernobyl och Harrisburg, samtidigt som de ger upphov till förvaringsproblem av utbränt kärnavfall.

Socialdemokraterna, i samarbete med Centern, beslutade i början av 1997 av man skulle inleda en kärnkraftsavveckling. Det första kärnkraftverket som ska stängas är Barsebäck. Det producerar idag en årlig effekt av 615 MW. Hur denna energiförlust ska ersättas vet man idag inte. Ett alternativ är att man importerar el producerad av kolkraftverk, eller rent av kärnkraftverk från Tyskland. Ett annat är att man ser över de alternativa energikällorna i Sverige. Kärnkraften kommer nog inte på många år att bli aktuell i Sverige igen; trots att man numera kan bygga kärnkraftverk som är många gånger säkrare än dagens.

Kvar återstår vattenkraft, vindkraft, biobränsle och solceller.

Vattenkraften är väl utbyggd i Sverige och man har installerat kraftverk på många av Sveriges största floder. Vattenkraften ger inga utsläpp och bidrar inte heller till någon direkt miljöfara, men att bygga ett vattenkraftverk innebär ett stort ingrepp på miljön.

Man bygger stora dammar för att uppehålla vattnet i, för att sedan släppa ut det genom en turbin som alstrar elektrisk ström. Dessa dammar vattenlägger stora områden som tidigare ej var under vatten och gör stor inverkan på växt- och djurlivet.

Vindkraften är en relativt miljövänlig energikälla. Idag finns ca 220 vindkraftverk i Sverige och de producerar ca 100 GWh per år. Vattenfall har konstruerat ett vindkraftverk som producerar upp till 1,5 MW under optimala förhållanden. För att vindkraftverken ska kunna producera el krävs det givetvis att det blåser. Därför kan man inte lita på vindkraftverket som ensam energikälla. Utvecklingen för vindkraften i Sverige har varit trög. Från början satsade vi på alltför stora verk, "Vi försökte gå innan vi kunde krypa". Danskarna har satsat mindre pengar än vi i vindkraft, men har idag en miljardexport av vindkraft.

Bioenergi utgörs av förnyelsebara miljövänliga bränslen från växtvärlden. I Sveriges energiförsörjning ingår en stor del bioenergi, närmare bestämt 15 procent. Bioenergi är en del av kretsloppet. I jämförelse med fossila bränslen är det ett mycket miljövänligt alternativ, då det inte bidrar till koldioxidökningen i atmosfären. Då askan från förbränningen återförs till naturen är kretsloppet slutet. Idag finns för närvarande 200 biobränsleeldande värmekraftverk i ca 90 kommuner.

Biobränsle kan komma att bli ett mycket intressant alternativ till dagens energikällor.

I både fossila bränslen och biobränslen kommer energin från samma källa, solen. På 1 timme öser solen ut samma energimängd mot jorden som vi människor använder under ett helt år. Om man bara skulle kunna ta tillvara på en liten del av denna energi skulle man förmodligen löst energiproblemet. Här är solcellen ett bra redskap för att samla in solenergi och omvandla den till elektrisk energi. Den idag vanligaste solcellen kallas kiselsolcell. Den har en verkningsgrad på ca 15 %. Det kan tyckas ganska lågt, men faktum är att biobränslen lagrar högst 1-2 %.

Redan på 1800-talet observerades att ljus kan omvandlas till elektrisk energi. En solcell omvandlar ljusenergi till elektrisk energi. Omvandlingen sker inne i en fast kropp utan rörliga delar. Hur går detta till? För att förklara detta behövs ganska omfattande kunskaper inom fysiken, varför en stor del av detta arbete ligger under kapitlet "fysikaliska förkunskaper". Vilka olika solcellsprototyper finns det och vilka för och nackdelar har de? Är de miljövänliga? Vilka solcellsprototyper ser ut att ha en framtid i fråga om prestanda och ekonomi? Det är vad jag kommer att behandla i detta specialarbete. Frågeställningen är dock huruvida solceller i framtiden kommer att ersätta konventionella energikällor.

Att ljus kan omvandlas till elektrisk ström observerades redan på 1800-talet. Under detta sekels första hälft användes fotoceller för mätändamål, t ex i exponeringsmätare. Denna cell hade en verkningsgrad på ca 1 procent. Det var emellertid först i samband med halvledarteknikens snabba utveckling efter andra världskriget som den moderna solcellstekniken föddes (1954). Den nya omvandlingstekniken kom snabbt till användning i rymden.

I början av 1700-talet, då världens oljeförsörjning stördes, ökade intresset för solcellstillämpningar på jorden. De då vanliga rymdcellerna var för dyra och omfattande forsknings- och utvecklingsinsatser har sedan dess ägnats åt att förbilliga tillverkningstekniken och att öka cellernas verkningsgrad. Stora framsteg har gjorts och idag finns solceller i många småskaliga tillämpningar ( solcellseffekter upp till några kW). Exempel på sådana är konsumentprodukter (klockor, miniräknare, radioapparater, lampor m fl.), telekommunikationsenheter, fyrar, ensligt belägna hus och byar. Överhuvudtaget kan man säga att solceller är ekonomiskt konkurrenskraftiga på platser långt ifrån elnät. Den kvarstående frågan är därför om solcellsanläggningar kan bli så billiga att el från dessa kan mäta sig med traditionell, storskaligt framställd el. De flesta bedömare anser det möjligt, men det råder delade meningar om när det kommer att ske.

Fysikaliska förkunskaper

Innan vi behandlar solcellens ganska komplicerade uppbyggnad och funktion krävs vissa förkunskaper. De innefattar bl a atomens uppbyggnad och ljusets natur. Även en del facktermer kommer behandlas.

 Bohrs atommodell

För att förklara hur en atom är uppbyggd kan man använda mer eller mindre komplicerade modeller. Bohrs atommodell visar på ett ganska grundläggande sätt atomens byggnad.

 En atom består enligt Bohr av 3 partiklar: protoner, neutroner och elektroner.

Atomens kärna består av protoner som har en laddning +1 och neutroner som är elektriskt oladdade. Kring kärnan kretsar elektroner. Dessa har en laddning –1. Se fig. 1.

Kring en atom kretsar normalt lika många elektroner som det finns protoner i kärnan. Man säger att atomen är elektriskt neutral.

Elektronerna i en atom kan kretsa i olika banor. Man säger att elektronerna finns i olika skal. Det skal som ligger närmast kärnan kallas K-skalet och har plats för högst två elektroner. Utanför ligger L-skalet som har plats för 8 elektroner. Därefter kommer M-skalet, N-skalet osv. En atom kan högst ha 7 skal, och varje skal har sin specifika energinivå.

Bohrs atommodell gäller då man talar om en fristående isolerad atom. Men då atomerna kommer i kontakt med varandra, t ex i ett fast ämne som en metall, ändras elektronbanornas förutsättningar.

Natrium har tre skal; K, L och M. Då M- skalet sitter ytterst kallas det för valensskal. På valensskalet hos natrium sitter en ensam elektron, en sk valenselektron.

Om två natriumatomer närmar sig varandra kommer deras laddningar att påverka varandra. Det får till följd att energinivåerna i deras skal ändras. De två närliggande atomerna kommer inte att få samma nya energinivåer, utan den ena kommer att få en högre och den andra en lägre energinivå. Detta sker med alla atomens skal, men nu ska vi bara studera valensskalet. Figur 2 visar hur natriumatomens valensskal delar upp sig i två olika energinivåer.

Om ett stort antal atomer sätts samman till ett fast ämne, så kommer ett liknande fenomen att inträffa. Även i detta läge får varje valensskal sin specifika energinivå. Figur 2b, visar delningen när 6 atomer förs samman. Figur 2c visar formationen som bildas då ett stort antal natriumatomer förs samman till ett fast ämne. Så många energinivåer möjliggörs, att energidifferensen D E kan ses som ett helt band, ett valensband. Energibredden på bandet är enbart beroende av hur många närliggande atomer som inverkar på varandra.

Om man tittar på atomen i sin helhet kommer varje skal bilda ett band (med varierande storlek). Mellan banden kan elektronerna inte existera. Därför kallas detta utrymme för det förbjudna bandgapet. Det förbjudna bandgapet existerar alltid, om inte banden blivit så stora att de överlappar varandra.

Bandgapet mäts i elektronvolt och är specifikt för varje ämne.

Exciterade elektroner

När en atom tillförs energi t ex genom uppvärmning eller strålning kan en elektron i ett visst band övergå till ett band med högre energi. Då elektronerna aldrig kan anta en energinivå mellan två energiband, måste den tillförda energin minst vara lika stor som det förbjudna bandgapet. Är energin mindre än det förbjudna bandgapet så kommer ingen energiabsorbtion sk. Är den tillförda energin större än bandgapet så kommer elektronen förlora överskottsenergin i form av värme (förutsatt att energin inte motsvarar två bandgap ).

 Om en elektron i valensbandet exciteras, kommer det att hamna i ett nytt band, det sk ledningsbandet.

Enheten 1 J är opraktiskt stor när det är fråga om energin hos enstaka fotoner eller partiklar. Inom atomfysiken används därför ofta en mindre enhet, 1 elektronvolt (eV), som definieras så här:

 " 1 eV är den energi som omsätts då en partikel med en elementarladdning får passera genom spänningen 1 V ".

Vi beräknar energin 1 eV i joule. Sambandet E = QU ger:

1 eV = 1,602 x 10^-19 x 1 J = 0,1602 aJ

Definitionen 1 eV gör det speciellt lätt att ange energiomsättningar hos laddade partiklar som rör sig i elektriska fält. Anta att en elektron accelereras genom spänningen U = 100V. Dess tillskott i rörelseenergi blir då 100 eV.

Karakteristiskt för metaller är "gasen" av ledningselektroner i ett kristallgitter av positiva joner. Varje metalljon har bidragit med någon enda elektron till elektrongasen, medan de övriga fortfarande är bundna till sina kärnor. Ledningselektronerna kan behandlas som en gas av fria partiklar, som inte påverkas av några krafter. Anledningen till att ledningselektronerna är fria är att ledaren har ett lågt bandgap.

Alla metaller leder ström bra. Man talar om metallens resistivitet. Den goda resistiviteten beror på de delokaliserade elektronerna (gasen av elektronmoln), som kan röra sig fritt i ledaren.

I andra kristallbindningar finns i stort sett inga fria elektroner alls. Ämnet är en isolator, där alla elektroner är bundna till atomerna, bandgapet är stort (ca 10 eV). Men är temperaturen tillräckligt hög, kan elektroner frigöras p g a värmerörelsen. Det betyder att en isolator kan leda ström vid hög temperatur. Isolatorns ledningsförmåga ökar med ökande temperatur.

En isolators ledningsförmåga beror naturligtvis också på hur hårt bundna elektronerna är, något som varierar kraftigt mellan olika material. Ämnen där en märkbar ström kan ledas vid temperaturer under ämnets smältpunkt kallas halvledare. Gränsen mellan isolatorer och halvledare är något flytande.

För att förstå den ljusets natur bör vi inte tänka oss ljuset som en obruten följd av vågor, som kontinuerligt sköljer över den belysta ytan. Istället kan vi föreställa oss strålningen som en ström av små energipaket, som rör sig med ljushastigheten och slår mot metallytan likt en hagelsvärm. Vart och en av dessa energikvantum eller fotoner har energin:

W= hf.

F är frekvensen på det infallande ljuset, och h är den sk Planks konstant (=6,6 x 10^-34).

De vanligaste halvledarna är kisel och germanium. Båda grundämnena står i samma kolumn som kol i det periodiska systemet och bildar kristaller med samma struktur som diamant. Varje atom har fyra valenselektroner, och genom att omge sig med fyra grannar, bundna med elektronparbindningar, får atomen ädelgasstruktur med åtta valenselektroner. Dessa är inte fritt rörliga som elektronerna i en metall men inte heller så hårt bundna som i en diamant. Detta beror på att bandgapet är relativt litet ( 1-2 eV). Elektronerna kan exciteras till ledningbandet, och leda ström, om en energi motsvarande bandgapet tillförs.

 När en elektron rycks loss från sin plats lämnar den ett positivt hål efter sig. Den tomma platsen kan fyllas av en elektron från ett närliggande elektronpar, och hålet flyttas på så sätt i kristallen. I ett elektriskt fält rör sig hålen, som om de vore fria positiva laddningar, åt motsatt håll mot elektronerna. En halvledare där laddning på detta sätt transporteras kallas egenledare.

 Det fodras emellertid en ganska stor energi för att skapa ett hål-elektronpar i kisel eller germanium, 1,1 eV resp 0,7 eV. Det kan jämföras med elektronernas viloenergi, som vid rumstemperatur är ungefär 0,0025 eV. Det krävs alltså en ganska stor mängd tillförd energi innan vibrationerna blir så intensiva att ett avsevärt antal elektroner skakar loss.

Då det krävs en så stor mängd tillsatt energi är kisel och germanium dåliga ledare vid rumstemperatur. Ledningsförmågan kan emellertid ökas genom tillsats av sk störämnen, som byggs in i kristallstrukturen. I germanium åstadkommer en så liten koncentration som en atom arsenik på 10⁷ germaniumatomer, att resistiviteten går ner till en hundradel.

 Störämnenas stora inverkan på ledningsförmågan åskådliggörs i fig. 2(b) som visar en kiselkristall, där en fosforatom har gått in på en kiselatoms plats. Fosforatomen har 5 valenselektroner, och omges från ytterligare fyra från grannatomerna. Den nionde elektronen kan inte ingå i ädelgasskalet, utan hamnar utanför som en ensam valenselektron. Den kan därför lämna sin plats lättare än en elektron i den rena kristallen. Frigörelseenergin är bara 0,045 eV. Även svag uppvärmning (tillförsel av energi) är tillräcklig för att resistiviteten ska minska betydligt. En halvledare, störledare, med tillsats av störämnen sägs vara dopad.

I fig 2(b) har störatomen en valenselektron mer än de ordinarie atomerna. Störledaren är en n-ledare (n för negativ); sägs vara n-dopad. Om vi istället sätter ett störämne med tre valenselektroner, t ex aluminium, får elektrongrupperingen det utseende fig. 2(c) visar. Där fattas det en elektron för att ädelgasstrukturen ska bli komplett. Ett litet tillskott av energi möjliggör för en valenselektron hos en grannatom att hoppa över till Al-atomen och fylla skalet. Elektronen skulle därvid lämna efter sig ett positivt hål, som i sin tur kan fyllas av en ny valenselektron. På så sätt kan det positiva hålet röra sig i kiselkristallen. En laddningstransport kan ske med hjälp av de positiva hålen, och vi har fått en p-ledare. Störledaren sägs vara p-dopad. I motsats till egenledarna, där både elektroner och hål transporterar laddning leds strömmen i störledare alltså huvudsakligen av antingen elektroner eller hål. I störledningarna finns naturligtvis egenledningen fortfarande kvar, men är vid rumstemperatur så liten att den kan försummas i jämförelse med störledningen.

pn-övergång

Om man skulle sammanfoga en n-dopad och en p-dopad halvledare till en enda sammanhängande kristall. (fig. 5a). Elektroner från n-delen delen skulle då diffundera in i den p-dopade delen. På samma sätt skulle en vandring av hål från p-delen till n-delen uppkomma. På den positivt dopade sidan letar sig de nytillkomna elektronerna till de positiva hålen och fyller dessa. Följden blir ett antal störatomer, som fyllt sina elektronskal och blivit negativa joner, inte längre neutraliseras av några positiva hål. P-delen blir negativt laddad, och på motsvarande sätt kommer n-delen att bli positivt laddad. Jonerna som sitter fast i kristallen bildar på detta sätt två laddade skikt på ömse sidor om gränsytan mellan p- och n-sidan. Diffusionen av hål från p-området och elektroner från n-området fortgår, tills det elektriska fältet mellan skikten skapat en spänningsbarriär som laddningarna inte kan passera. Pn-övergången har då fått en positiv del och en negativ del. Den positiva delen sitter på den n-dopade sidan och vice versa.

Mängden el som solcellen producerar är proportionell mot solljusets intensitet och solcellens verkningsgrad. För den vanligast förekommande solcellen, kiselsolcellen, är verkningsgraden

ca 15 procent. Vid en instrålning av 1000 W/m², vilket motsvarar klar sol, ger en 1 dm² stor kiselsolcell en effekt på 1,5 W. Man brukar säga att cellen har en 15 W toppeffekt (W_t). När ljusintensiteten sjunker, t ex vid mulet väder, sjunker strömmen i motsvarande grad. Spänningen är dock relativt konstant, se diagram 1.4.

Även temperaturen påverkar elgenereringen. Detta resulterar i att verkningsgraden minskar något vid ökande temperatur. I specifikationer för solceller och solcellsmoduler anger man värdena vid 25 ° C.

En kiselcell med en spänning på 0,5 volt seriekopplas vanligen till en modul bestående av 30-36 celler. Detta ger en spänning lämplig för laddning av 12 volts blyackumulatorer.

Strålningen mot jorden motsvarar en effekt av 1,35 kW/m²! Endast ca 60 % (i medeltal) av denna effekt når jordytan och solinstrålningen mot en yta vinkelrätt mot solstrålningen, är följaktligen i medeltal ca 0,8 kW/m².

Figur 7

Solstrålningen når jordytan under olika vinkel, och kommer därför att - räknat per m² markyta - få ett annat värde än kW/m². Figur 8 visas schematiskt sambandet mellan intensiteten mot en yta vinkelrätt mot infallande strålning och intensiteten mot en horisontell yta.

Över 90% av de solcellsmodeller som idag säljs är baserade på kristallint kisel, samma material som används för mikroelektronik. Dessa kan delas upp i två grupper, mono- och multikristallint kisel, beroende på hur kristalltillväxten görs. Multikristallint kisel är något billigare att tillverka, men cellverkningsgraden blir något lägre. Monokristallint kisel av en betydligt dyrare kvalitet än den som normalt nyttjas för solceller har använts för att göra supereffektiva laboratorieceller. Dessa har en verkningsgrad på ca 24%. Sådana celler har också använts för en solcellsmodul med verkninsgrad över 22 %. Av större intresse för modulproduktionen är de multikristallina celler med en verkningsgrad på ca 18 %. Monokristallina kiselceller med 18 % verkningsgrad finns redan i produktion.

 Uppbyggnad

Kiselsolcellen har en tjocklek på ungefär 300m m. Egentligen hade det räckt med cirka 100 m m för att absorbera största delen av solljuset, men det är svårt att tillverka så tunna celler. Moderna solceller av kristallint kisel är kvadratiska, eller nästan kvadratiska, för att uppnå god packningstäthet. I princip är solcellen en pn-diod som täcker hela ytan.

Ett problem som uppkommer när man tillverkar kiselsolceller är att cellen får ett annat brytningsindex än luft. Detta medför att den inkommande strålningen reflekteras från ytan på cellen. Detta har man löst genom att lägga ett kiseldioxidlager ovanpå cellen. Kiseldioxiden har ett brytningsindex som ligger mellan lufts och kisels. För att ytterligare minska reflektionen ges ytan på cellen en form av inverterade pyramider. Om ljuset reflekteras när det faller in mot cellen kommer det att träffa ytan åtminstone en gång till innan det riskerar att reflekteras bort, vilket ökar sannolikheten för att ljuset ska tränga in i cellen. Mono- och polykristallint kisel har låg absorptionskoefficient. Botten av cellen beläggs därför med ett reflekterande lager, vilket gör att ljus som inte har absorberats studsar tillbaks genom cellen. Konstruktionen gör att absorptionen ökar utan att materialåtgången på mono- och polykristallint kisel blir större.

Tandemceller

En av de viktigaste förlustmekanismerna är ljus som ej absorberas i halvledarmaterialet för att ljusenergin är för låg. Ett sätt att minska detta problem är att placera en solcell med lägre bandgap bakom den första cellen. I denna kommer då en del av det ljus som annars skulle gå förlorat att absorberas. I en sådan sk tandemcell kan man teoretiskt nå 40-45 % verkningsgrad och i praktiken har över 30 % erhållits i avancerade exprementceller. När man staplar flera celler ovanpå varandra leder det till att optiska förluster uppstår. Ljus reflekteras mellan lagren på de olika cellerna. I praktiken är därför endast två eller tre celler intressanta.

När en solcell utsätts för ljus bildas ström. Elektronerna i halvledaren absorberar energin hos ljusets fotoner. Om energin hos fotonerna är tillräckligt stor kommer elektroner i valensbandet att exciteras till det sk ledningsbandet. Där elektronen ursprungligen var situerad bildas ett positivt hål. Både hålen och de exciterade elektronerna kan röra sig fritt i halvledarmaterialet. I en isolerad halvledare skulle den exciterade elektronen snart falla tillbaka till sin ursprungliga energinivå och det positiva hålet skulle försvinna. I detta fall skulle ljus avges och ingen elgenerering skulle äga rum.

 För att omvandla energin hos den exciterade elektronen krävs ett inbyggt elektriskt fält. Detta uppnås genom den s k pn-dioden. Då fotonerna exciterar elektroner i pn-övergången, kommer de att separeras så att hålen kommer diffundera in i n-området och elektronerna i p-området. Den infallande foton-energin underhåller laddningsseparationen, och på så sätt kommer pn-övergången att bli en spänningskälla. Elektriciteten som alstras är likström. Vill man utnyttja växelström får man använda en s k växelriktare.

I mycket av vad som hittills sagts framgår att solcellstekniken idag är väl beprövad. Behövs då mer forskning? Kiselsolcellen som idag används i kommersiellt bruk, finner man på fyrar, båtar, på väderstationer etc. Vad dessa ofta har gemensamt är att de ligger långt från fast elnät samt att de ofta konsumerar endast lite ström. En solcell på en fyr kostar ca 4 000 kr. Den ger fyren den el den behöver och är ett bra och billigt alternativ till gas. Att dra en fast ledning till samma fyr skulle kanske kosta en halv miljon kronor. I detta läge är solcellen ett självklart alternativ. Men vore det inte bra om även enskilda konsumenter, såsom husägare och industrier, också kunde utnyttja solenergin för att avlasta det fasta elnätet. Alternativt skulle solceller kunna kopplas direkt till det fasta elnätet.

För att detta ska bli verklighet krävs en kraftig reduktion av det beräknade kW-priset för solcellen. Idag finns ett stort antal alternativ till kiselsolcellen. De flesta bygger på så kallad tunnfilmsteknik. Nedan presenteras några av de vanligaste cellerna.

Figur 11

Tunnfilmsceller är mycket tunna solceller, ca 1 m m i förhållande till de ca 300 m m tjocka kristallina kiselcellerna. Materielåtgången är därför förhållandevis låg. Tunnfilmscellerna kan göras i denna tjocklek eftersom materialen i cellerna har egenskapen att kunna absorbera ljuset på en mycket kort sträcka, dvs materialet har hög absorbtionskoefficient.

En stor fördel med tunnfilmsceller är att man kan tillverka en hel modul, dvs celler som är sammankopplade så att de bildar en större enhet, samtidigt. På ett glas är framkontakten belagd och denna ristas till långa, smala band, Själva cellen appliceras ovanpå så att den även finns i skårorna, och ristas sedan på samma sätt fast med skårorna något förskjutet. Slutligen läggs bakkontakten på samt ristas, och får då kontakt med både framkontakten och cellen, cellerna blir alltså seriekopplade. Tunnfilmstekniken (tillverkningsmetoden) gör att cellerna har potential att tillverkas väldigt billigt i förhållande till kristallina kiselceller.

Amorft kisel, eller egentligen amorft hydrerat kisel och dess legeringar med i första hand germanium, är det tunnfilmsmateriel som kommit längst kommersiellt. Liksom kristallint kisel består materialet huvudsakligen av kiselatomerna med de elektro-optiska egenskaperna är helt annorlunda. Redan i början på åttiotalet nådde man 10 % verkningsgrad på laboratorierna och en intensiv utvecklingsverksamhet startade.

 De första generationerna av solcellsmoduler gav tunnfilmsteknik i allmänhet och amorft kisel i synnerhet dåligt rykte. Huvudsakligen berodde detta på låg verkningsgrad. Solceller av amorft kisel hade då ganska låg verkningsgrad, som mest uppemot 6 %. Denna minskade kraftigt när den togs i drift p.g.a. sk ljusinducerad degradation. Sådan uppstår när en nytillverkad amorf kiselcell utsätts för ljus, och verkningsgraden sjunker. Efter ca en månad stabiliserades dock cellerna. Den första generationen amorfa solcellsmoduler hade också vissa barnsjukdomar som bland annat ledde till korrisionsskador på cellerna.

 Forskningsverksamheten har varit intensiv för att höja verkningsgraden och minska ljusdegrationen. De senaste åren har väsentliga framsteg gjorts. Det bästa laboratorieresultatet är nu 13 % stabiliserad verkningsgrad för en cell och 10,4 för en modulprototyp (Man har numera övergått till att tala om stabiliserad verkningsgrad). Ökningen har uppnåtts genom att göra tandemceller, som förutom att de ger en högre verkningsgrad, även är mindre känsliga för den ljusinducerade degradationen.

 De viktigaste industriella aktiviteterna är följande: Två fabriker: Solarex och Uni-Solar, har i år byggt fabriker med en sammanlagd kapacitet på 15 MW. Uni-Solars moduler har en toppeffekt på 3-64 W per modul. Den stabiliserade verkningsgraden för dessa är 7,5 %, och företaget lämnar idag 10 års garanti på produkten. Andra viktiga företag som utvecklar solcellsmoduler av amorft kisel är Sanyo och Fuji Electric i Japan.

De tunnfilmssolceller som ligger närmast marknadsintroduktion, förutom amorft kisel, är sådana baserade på CdTe. Idag har, eller bygger, flera företag produktionsenheter med MW kapacitet. De viktigaste är Solar Cells inc. (USA), golden Photon inc. (USA), Bp Solar (GB/USA), och Matsushita Battery Corp. (Japan). Dessutom förekommer industriell utveckling i Europa och i Indien. Den bästa 30 x 30 cm² modulen har rapporterats från BP Solar med 10,1 % verkningsgrad, den största från Solar Cells inc. med 61 W och storleken 0,67 m². Den bästa verkningsgraden som uppnåtts hos en laboratoriecell är 16 %, från Matsushita Battery Corp., så stort utrymme finns för förbättringar.

En klar osäkerhet med en marknadsintroduktion av CdTe solceller är användningen av det miljöfarliga ämnet Cd. Miljöfarligheten borde dock kunna klaras med återvinning och i drift finns mycket måttliga risker med de väl inkapslade cellerna.

Huruvida vi kommer att kunna köpa billiga och effektiva CdTe-moduler återstår att se. Under de senaste tio åren har flera företag som försökt kommersialisera denna solcellsteknik gått omkull, och nu är också Golden Photon lnc. till salu trots att man byggt upp produktionskapacitet på 2,5 MW/år. Huvudskälet till detta tros vara att man inte lyckats uppnå god långtidsstabilitet, till skillnad från Solar Cells lnc. vars CdIe moduler visat sig helt stabila i fältförsök.

 CIS-tekniken har fått sitt namn från föreningen CuInSe2, det halvledarmaterial dessa tunnfilmsceller baseras på. I de bästa cellerna används idag legeringar med CuGaSe2. Man talar därför allt oftare om CIGS. CIGS är polykristallint och har ett direkt bandgap på 1,05eV. De högsta verkningsgraderna för alla typer av tunnfilmssolceller har uppnåtts med CIS-celler, över 17% har noterats av flera grupper. Det är siffror som motsvarar modulverkningsgrader på långt över 12%. Submoduler (kompletta moduler av liten storlek) har tillverkats med verkningsgrader runt 14 %. Av alla tunnfilmstekniker har CIS visat bäst långtidsstabilitet. Tidiga prototyper har fälttestats åtta år och inte visat någon prestandaförsämring.

 CIS solceller innehåller vanligen ett 50 nm tjockt skikt av OdS. Om stora mängder solcellsmoduler kommer att användas världen över utgör det ett potentiellt miljöproblem. Kadmium innehållet är dock mycket litet. Kraven kan dock komma att skärpas och ett total förbud av kadmium kan inte uteslutas på längre sikt. Forskning pågår med att ta bort eller ersätta OdS-skiktet som inte är fundamentalt nödvändigt.

Flera koncept visar lovande resultat och mer än 15% verkningsgrad har erhållits med helt kadmiumfria celler. Det äldsta resultatet på submoduler, omnämnt ovan, har erhållits helt utan användning av kadmium.

De industriella aktiviterna inom CIS-området har ökat betydligt. 1 USA finns nu åtminstone sex företag som utvecklar produktion av CIS-moduler, däribland Simens. I Japan sker de största satsningarna hos Matsushita (Panasonic) och hos Showa-Shell.

 Det för närvarande hetaste solcellsområdet när det gäller forskning är tunnfilmskisel. Tidigare har man inte betraktat kisel som ett möjligt tunnfilmsmaterial. Kristallint kisel har låg ljusabsorbtion jämfört med de material som normalt används i tunnfilmssolceller, därför behövs ett mycket tjockare skikt, ca 100 m m, istället för de 1-2 m m som i de vanliga tunnfilmsmaterialen, för att huvuddelen av solljuset skall absorberas. I avancerade kristallina solceller har man laborerat en hel del med s k ljusinfångning och mycket effektiva sådana koncept har kommit fram. Principen är att ljuset bryts inne i halvledaren och reflekteras internt på ett sådant sätt att ljuset kommer att tillryggalägga en betydligt större sträcka i kiselskiktet än skiktets tjocklek. Det har lett till att man kan fånga in det mesta av det användbara solljuset i betydligt tunnare skikt än 100 m m av kristallint kisel.

Med sådana metoder kan huvuddelen av solljuset absorberas i skikt som är tunnare än 10 m m. Det är då möjligt att nyttja tunnfilmsteknik - med alla kostnadsfördelar - för tillverkning av solceller av kristallint kisel. Det är naturligtvis mycket attraktivt att på det sättet kraftigt kunna sänka tillverkningskostnaden och samtidigt hålla fast vid kristallint kisel som visat sig ge solceller med hög verkningsgrad och tillförlitlighet i konventionella solcellsmoduler. Svårigheterna ligger främst i att erhålla tillräckligt hög materialkvalitet i kiselskikten när man går från högtemperaturprocesserna för monokristallint och multikristallint kisel till rena tunnfilmsmetoder vid betydligt lägre temperatur. För att kostnaderna ska bli låga måste billiga substrat - fönsterglas - användas, och fönsterglas kan inte användas vid högre temperaturer än 500-600 ° C.

 Två företag leder utvecklingen på detta område. Det ena är Pacific Solar Pty Ldt. Detta är ett nystartat företag som har stora planer på att kommersialisera sin tunnfilmsteknik. Hittills har man lyckats framställa en fungerande 15 x 15 cm² minimodul. Pilotproduktion beräknas vara igång av slutet av 1998, och en första produktionsanläggning på 20 MW planeras vara i drift i slutet av år 2000.

Ett annat intressant företag är Kaneka Corporation. De har inte kommit så långt med kommersialiseringen, men deras tekniska resultat är dock de mest imponerande av de som rapporterats på tunnfilmskisel. Hittills har man lyckats framställa celler med en verkninsgrad över 9% med användande av så tunna kiselskikt som 15 m m. Dessa celler har visat en god stabilitet och de har ej drabbats av den ljusinducerade degradationen som observerats i amorft kisel. Detta innebär att man tagit ett rejält kliv mot en tunnfilmscell av kristallint kisel med hygglig prestanda. Mycket återstår dock, processen är för långsam för produktion och verkningsgraden är ännu för låg.

Kisel är ett av jordytans vanligaste grundämnen. Detta ger vid en tillverkning av tunnfilmskiselceller en obegränsad tillgång på halvledarmaterialet. Detta är en av anledningarna till att tunnfilmskisel nu är den forskningsmässigt hetaste av de olika solcellstyperna idag.

 På lång sikt är det få tekniker som kan konkurrera med solceller för elgenerering i ett globalt perspektiv. Solinstrålningen på jorden under två veckor motsvarar den totala energireserven av fossila bränslen och uran. Den yta som krävs för att producera el motsvarande dagens totala världsproduktion motsvarar 0,01% av jordytan eller 0,1% av öknar och liknande områden. Som jämförelse kan nämnas att den odlade arealen upptar 3% och byggnader, vägar etc. 0,5% av jordytan.

Solcellstekniken innebär att solljuset omvandlas direkt till el. Det sker utan några rörliga delar eller konsumtion av material. Elgenereringen ger därför inte heller upphov till något utsläpp, ej heller till något radioaktivt avfall. Den inverkan på miljön som finns är den yta solcellerna upptar. Försök har gjorts att testa miljörisken vid brand, med resultat att riskerna är små. Den huvudsakliga miljöpåverkan som uppstår sker vid produktionen av solcellerna samt vid omhändertagandet när dessa tas ur drift.

Storskalig elproduktion från solceller bedöms bli ett från miljösynpunkt klart bättre alternativ än sådan baserad på fossila bränslen. I ett livscykelperspektiv är dock ej användningen fri från utsläpp förknippade med fossila bränslen. Sådana uppstår vid brytning, renframställning transport av ingående material. Beroende på vilka solcellstyper som kommer att vara konkurrenskraftiga i framtiden blir de specifika miljöaspekterna olika. För de solceller som är aktuella idag bör man nämna hanteringen av kadmiumavfall för produktion, skrotning av CdTe moduler samt tillgången av indium för produktion av CIS-moduler. Den senare begränsas inte av den totala förekomsten, vilken är mer än tillräcklig även i ett gigantiskt scenario, utan av att det idag är en biprodukt som produceras i begränsad mängd. Denna mängd kommer att påverkas om CIS solceller får ett genombrott för nätansluten elproduktion.

Ett problem med solceller är att de oftast behövs där det finns minst sol. Solen skiner mest på sommaren, medan energibehovet är störst på vintern.

Ett annat exempel är vid husuppvärmning dygnet runt. Här uppstår ett lagringsproblem. Ett alternativ är att man lagrar elektriciteten under huset i batterier eller blyackumultorer. Se fig. 13.

Ett annat alternativ är att huset är anslutet till ett fast elnät. Man kan då köpa el när man har underskott och sälja el när man har överskott se fig 14.

• Ett lämpligt villatak har 30 – 45 graders vinkel från horisontalen, är orienterat mot söder och har en yta av 50 m²
• Om hela taket täcktes med solcellsmoduler med 12,5% verkningsgrad får vi en anläggning på 6,25 kWt
• Den årliga produktionen blir:
  12,5 x 1150 kWh/m² x 50 m² x 0,85 = 6100 kWh
  
  Anm. Faktor 0,85 används för att ta hänsyn till diverse småförluster (t ex högre värme)
• Detta räcker för en normal villafamils förbrukning av hushållsel (normalt 5000 kWh/år)

År 2030: luftföroreningarna är ett avslutat kapitel. Även i städerna är luften frisk och ren. Bilarna släpper ut vattenånga, och detsamma gör kraftverken. Kol och olja har nästan helt ersatts av solceller, vattenkraftverk och biomassa.

Det låter som rena utopin, men många forskare anser faktiskt att det är en realistisk framtidsvision. Medelet är att lagra enerngi i form av väte.

 Principen är enkel: den ström som produceras av en solcell används för att genom elektrolys, klyva vanligt vatten i syre och väte. Syret släpper vi ut, och vätet lagrar vi i flytande form. När det sedan behövs energi omvandlas vätet till ström i sk bränsleceller. Det sker genom att helt enkelt förena väte med syre från luften. Restprodukten blir vatten, så rent att man kan dricka det.

Ett problem med tekniken har varit lagringen av väte. Vätet blir nämligen flytande först när det kylts ner till minus 253 grader, så det krävs energi för att kyla ner vätet. Vill man använda flytande väte i en bil krävs det att den är utrustad med en termoflaska.

Nu har forskarna dock löst det problemet. Man har utvecklat ett material som består av pyttesmå grafitfibrer, som kan lagra så mycket väte under högt tryck att det motsvarar tre gånger fibrernas eget tryck. Med dessa fibrer tror forskarna att en biltank ska kunna innehålla tillräckligt med fibrer för 8 000 km körning.

Solcellstekniken är som redan nämnts etablerad i ett stort antal nischtillämpningar. Men även nätanslutna solcellssystem har demonstrerats och fungerar väl. För att nätansluten elgenerering med solceller skall bli ekonomiskt krävs dock att priset på solcellsmoduler kraftigt reduceras jämfört med idag. Solceller från fabrikant kostar idag 4-5 USD/W, det priset skulle behöva reduceras till en tredjedel för att det skall bli ekonomiska fördelaktigt vid nätanslutna tillämpningarna. Vid en kostnadsreduktion om en faktor 10, vilken förväntas på sikt, blir solceller ekonomiska för elgenerering i de flesta sammanhang, förutsatt att det ej krävs lagring av el. Till exempel skulle detta innebära för Sveriges del att 50 TWh solel per år kan produceras för 30-40 öre per kWh.

 De andra komponenterna i nätanslutna solcellssystem behöver också komma ner i pris. Man brukar dela upp anläggningskostnaderna (exklusive solcellsmoduler) i en del som endast beror av systemets totala effekt, såsom lastanpassare växelriktare, och en del som beror av den yta anläggningen upptar. Den senare domineras av kostnader för de stativ som solcellsmodulerna är monterade på. Tekniken finns för tillräckligt låga kostnader och i princip behövs bara volymökningar av produktionen för att realisera dessa. För att hålla nere de ytberoende systemkostnaderna är det viktigt att solcellernas verkningsgrad är tillräckligt hög, så att inte anläggningens yta blir för stor vid en given effekt. Den verkningsgrad man därför önskar nå anges allmänt till 15%. Den idag vanligaste typen av solcellsmoduler har verkningsgrader i intervallet 10-15%. Underhålls- och driftskostnader för solcellsanläggningar är försumbara. Kostnadskalkyler brukar beräknas på en livslängd av 20-30 år, vilket är den förväntade livslängden för de solcellsmoduler som produceras idag.

 Avgörande för hur fort ett storskaligt nyttjande av solceller för nätansluten elgenerering blir ekonomiskt är hur fort priset på solcellsmoduler sjunker. Tekniken i övrigt, solcellsmodulernas prestanda och teknik/kostnader för andra system-komponenter, är i princip tillräckligt bra redan idag.

 Den idag dominerande tekniken för solcellsmoduler är baserad på kristallint kisel. För att möjliggöra ett tillräckligt lågt pris för storskalig nätansluten elproduktion kommer i praktiken tunfi1mssolcel1er art ersätta solcellerna av kristallint kisel En typ av tunnfilmssolceller, sådana baserade på amorft kisel finns sedan 6-7 år på marknaden men verkningsgraden är låg och livslängdsproblem existerar. Forskningsmässigt ligger två andra material långt framme. Dessa är CdTe och CIS (CUInSe2) som båda har nått över 15% verkningsgrad.

I Sverige kan 5 TWh solel per år produceras. Vill man producera mer kan man använda vattenkraftverken som buffert. % TWh solel per år kräver 5 GW solceller och 1 kvadratmil mark. För produktion av 5 GW solceller på 5 år krävs en årsproduktion av 1 GW solcellsmoduler. En stor fabrik har en årsproduktion på 100 MW solcellsmoduler, vilket motsvarar dagens sammanlagda världsproduktion. Det skulle alltså behövas 10 sådana fabriker. Om dessa skulle producera sk CIS-celler, enligt den model som forskarna i Uppsala universitet konstruerat, skulle varje fabrik innebära en investering på ca en miljard kronor. Varje fabrik skulle behöva ca 100 anställda. En produktionskostnad på 300 kronor per kvadratmeter för moduler på 15 % skulle vara möjlig i en sådan fabrik.

 Med en antagen kostnad på 300 kronor per kvadratmeter för 15 % moduler kan solel produceras i Sverige för 40 öre per kWh (räknat på 5 % realränta och 25 års livslängd) . Den totala investeringen för en sammanlagd solcellseffekt på 5 GW, som genererar 5 TWh per år är 25 miljarder kronor. Driftskostnaderna är försumbara.

• Jorden tar årligen emot 100 000 TWår energi från solen
• Medelinstrålningen från solen är 100 000 TW
• 1 timmes solinstrålning motsvarar hela mänsklighetens årliga energiförbrukning
• De påvisade reserverna av uran motsvarar 5 timmars solinstrålning
• De påvisade reserverna av fossila bränslen motsvarar 4 dygns solinstrålning

Elproduktion med solceller motsvarande den globala elkonsumtionen kräver:

• 1/10 000 av jordytan eller 1 / 1000 av ökenområden och dyl. eller
• 1/300 av uppodlad mark eller 1/50 av byggnader, vägar och dyl.