Solcelle

En solcelle eller en fotovoltaisk-celle er en diode, der fungerer som transducer, der via den fotovoltaiske effekt omdanner en del af den modtagne lysenergi (typisk synlige og infrarøde elektromagnetiske bølger) til elektrisk energi. Lyskilden kan f.eks. være solens solenergi.


engelsk (katode (+) op)	solcelle og fotodiode (katode højre)	tysk (katode nede)

Fotoelektrisk-celle og solcelle symboler.

Solpaneler foran Westsächsische Hochschule Zwickau.

Prognose til år 2050 fra WBGU / solarwirtschaft.de: Solcellestrøms og soltermisk kraftværks bidragsandel af verdens samlede energiforbrug.

En fotovoltaisk-celle omfatter alle celler uanset optimal fotonbølgelængde – hvorimod solcellers primære anvendelseshensigt er til dele eller hele solens udsendte bølgelængdeinterval indenfor eller udenfor jordens atmosfære.

En solcelle virker stort set ligesom en fotodiode. Solcellen har et meget stort chip areal i forhold til fotodioden.

Flere solceller sættes som regel sammen elektrisk og pakkes ind i plast, glas og en aluminiumsramme for at beskytte solcellerne – og kaldes så et solcellepanel.

Historisk

Den første solcelle blev opfundet i 1940 af Russell Ohl.^[1]

Solcelleegenskaber

De forskellige solcelleteknologiers bedste virkningsgrader med sollys, som funktion af årstal.

Solceller eller solcellemoduler kan karakteriseres ved følgende egenskaber:

Holdbarhed – de bliver garanteret en holdbarhed på mellem 5 og 40 år afhængig af type og indpakning.
Effektiviteten – for sollys er effektiviteten mellem nogle procent og 44.7 % (rekord 2013)^[2]. Typisk har monokrystalline og polykrystaline solceller en effektivitet på 10-21 % – amorfe solceller har typisk en effektivitet på 4-8 %. Det formodes at den teoretiske grænse er 87 %.
Lavlys effektivitet – har betydning ved overskyet vejr og hvis det samtidig regner.
Mørkelækstrøm – hvis et solcellepanel har en betydende lækstrøm skal solcelleregulatoren slå panelet fra, så akkumulatoren ikke aflades.
Effektivitetsformindskelse som funktion af temperaturen. Mange solceller leverer mindre energi ved stigende temperaturer – nogle ca. -0,44%/°C. De fleste solcellers effektivitet er angivet ved en temperatur på 25°C^[3].
Energimætningsniveau. Nogle solceller kan kun levere en maksimal energi ved en given temperatur over en vis belysning. F.eks. begynder nogle solceller at mætte ved ca. 800W/m² for almindelige driftstemperaturer på ca. 40-50 °C.

Optimering af sollys til solcellen og omvendt

En siliciumbaseret fotodiodes (og siliciumbaserede monokrystalline solcelles) response som funktion af bølgelængde. Bemærk at lys med ca. 950 nm er optimalt.

En given solcelles effektivitet er langt højere ved den rette bølgelængdebelysning. F.eks. har almindelige siliciumbaserede monokrystalline solceller en effektivitet på 50%, hvis de belyses med infrarødt lys med en bølgelængde på ca. 900 nm.^[4] Grunden til at 900-1000 nm er optimalt skyldes at en foton med denne bølgelængde, under absorption netop separerer til et elektronhul og en "fri" elektron, med minimal omdannelse af lysenergi til normalt nytteløs varmeenergi.

Fluorescens

Fotoner med en bølgelængde større end ca. 1200nm, kan ikke direkte gøre nytte i monokrystalline siliciumbaserede solceller, men ved at give solcellen opkonverterende "briller" på bagsiden kombineret med et spejl, kan disse fotoner omdannes til fotoner med en bølgelængde mindre end eller lig 900nm.^[5]

Herudover er der blevet opdaget en proces som kan få en solcelles effektivitet øget markant, kaldet PETE (photon enhanced thermionic emission).^[6]

Stakning af forskellige solceller

Stakning af solceller, der hver især er optimeret til hvert deres bølgelængdeinterval.

En anden måde at øge virkningsgraden af solceller på er at lægge flere forskellige solceller, der hver især er optimeret til hvert deres bølgelængdeinterval, ovenpå hinanden og lade den øverste omsætte f.eks. det blålige og grønlige lys effektivt – og det næste solcelle omsætte det gullige og rødlige lys osv.

Tværsnit af ikke skalatro solcelle. De fleste solceller er designet på følgende måde:
(1) Et tyndt metalnet leder strømmen fra forsiden.
(2) Et meget tyndt antireflekterende lag.
(3) Tyndt lag type n-silicium lettere "forurenet" af et grundstof, som i siliciumkrystallaget har løse elektroner.
(4) Lag type p-silicium lettere "forurenet" af et grundstof, som i siliciumkrystallaget har underskud af elektroner. Effekten er at de positive "huller" leder strømmen (selvfølgelig er det stadig elektroner, der grundlæggende set leder strømmen).
(5) Lag type p+-silicium lettere "forurenet" af et grundstof, om i siliciumkrystallaget har underskud af elektroner..
(6) Hele bagsiden er dækket af et tyndt metalnet eller metallag til at lede strømmen.

Anvendelse

Solceller bliver anvendt til at el-energiforsyne mange typer af udstyr; satellitter, lommeregnere, havelamper, campingvogne, radioapparater, ure, mobiltelefoner, både, bøjer, alarmtelefoner og det offentlige elnet.

En enkelt solcelle kan kun lave en spænding på 0,4..0,7V - og for større celler (12 cm sidelængde) kan deres strøm være mellem 5-7 A ved klar solskin. Legetøjssolceller kan give mellem nogle få mA til 500 mA. Spændingen på ca. 0,5 V er som regel for lav, så det er normalt at man serieforbinder mange solceller så man får op til ca. 15..18 V. Det er også muligt at anvende en step-up-smps-konverter. Kan man selv bygge elektronik kan man selv lave en step-up-smps-konverter eller step-down-smps-konverter.^[7]^[8] Solceller har hyppigt et blålige skær, men andre har andre mørke nuancer. Solcellen kan have nogle af følgende egenskaber; stiv, bøjelig og mere eller mindre gennemsigtig.

Solceller producerer jævnstrøm (DC). Dette kan anvendes direkte via en solcelleregulator til at oplade en akkumulator eller andet egnet. Det kan f.eks. være en "deep-cycle" blyakkumulatorer, der dog er 3-10 gange dyrere end almindelige bil- og UPS-akkumulatorer. Bil og UPS akkumulatorer kan ikke tåle at være afladet i længere tid.

Generelt kan dagens akkumulatorer (2004) ikke gemme så meget energi per kg i forhold til f.eks. benzin og ætanol. Dette gælder især "deep-cycle" blyakkumulatorer.

Måske er en nikkel-jern-akkumulator bedre egnet, da de ifølge en del kilder kan holde 30-50 år, selv med mange lange afladede perioder. Holdbarhedsmæssigt kan det tænkes at Lithium-jern-fosfat-akkumulator vil tangere nikkel-jern-akkumulator. I alle andre henseender er Lithium-jern-fosfat-akkumulatoren nikkel-jern-akkumulator overlegen.

Når 230V-AC-udstyr skal strømforsynes fra solceller, kan en speciel vekselretter (eng. inverter) anvendes til el-energi konverteringen. Nogle invertere kan elnet-tilkobles - og hvis man har en aftale med elværket, kan man faktisk få penge for den energimængde som man afleverer.

Fra ca. år 2000 begyndte man at koble solceller pakket i solcellepaneler til det offentlige elnet via specielle elnet tilkoblede vekselrettere eller solcelle-mikrovekselrettere. I Danmark toppede mængden af nye solcelleanlæg per år i 2013, herefter sank interessen da nettomålerordningen på årsbaseret afregning blev afskaffet for nye solcelleanlæg.

Fremtidige energilagringsmetoder

Uddybende artikel: Energilagring

I fremtiden kan det tænkes at man kan gemme energien i brint (besværligt at gemme) eller bioætanol (miljøvenligt og let at opbevare). ^[9] En anden mulighed er at gemme energien i ætanol. ^[10] ^[11]

Man kan få svinghjul båret vha. magnetiske lejer i lufttomme kamre, der kan oplades og aflades ca. 100.000 gange uden forringelse. Kig i svinghjuls eksterne henvisninger. De kan lagre op til 15 kWh, også over lang tid, hvilket er meget i sammenligning med akkumulatorer. En 12V 400 Ah akkumulator kan gemme 12*400 = 4.800 Wh = 4,8 kWh.

Solcelletyper

Monokrystallin solcelle uden beskyttende indpakning. Farven er 2006) blålig, men kan også have andre mørke farver.

Polykrystallin solcelle, uden beskyttende indpakning, med en sidelængde på ca. 10 cm. Farven er hyppig (2006) blålig, men kan også have andre mørke farver. Bemærk de skarpe krystalskel, hvor farven eller lysstyrken skifter, dette er kendetegnede for polykrystaline solceller.

Der findes mange typer solceller:

Monokrystallinske solceller af:
- silicium
- Gallium-Arsenid – dyre anvendes normalt kun i satellitter hvor vægt i forhold til effektivitet er vigtig.
- Gallium-nitrid. Måske vil vi i fremtiden få solceller baseret på (x% In)GaN, da disse kan have teoretiske sollyseffektiviteter fra 40-72%.^[12]^[13]
- Cadmium-tellurid.
- Kobber indium gallium selenid (CIGS).
Polykrystallinske silicium-solceller.
Amorfe silicium-solceller.
CIS-solceller (Kobber Indium Selen). Gode lavlys-egenskaber. Lang holdbarhed.
PEC-solceller (PhotoElectroChemical). Anvendes indlejret i vinduesruder. Virkningsgrad op til 10% (2004). Her hører "brombær"-solcellen også til. Den kaldes også for Grätzel-solcelle hvis den består af titandioxid nanopartikler med farvestofmolekyler. Grätzelcellen kan fremstilles langt billigere end de traditionelle siliciumsolceller.
Kobber(I)oxid-solcellen. Kan laves selv men har normalt kun en virkningsgrad på ca. 0,5-1%.
Muligvis kan der også laves solceller af Kobber(II)oxid.
OLED (Organic Light Emitting Diodes). OLED består af halvledende plastmaterial (polymer). Sendes en strøm gennem disse, vil plasten lyse. Processen kan vendes om så OLED'en virker som en solcelle, men effekten er desværre meget lav. Ved at tilsætte C60-molekyler ("kulstoffodbolde", fullerener) til plasten, kan effektiviteten dog øges.

Kilder/referencer

^ technologyreview.com: No P-N Intended. A cracked crystal launched the silicon revolution Citat: "...Early in 1940 Ohl examined a silicon sample that had a crack down its middle. Something was strange about that crystal: when it was exposed to light, the current flowing between the two sides of the crack jumped significantly. Baffled, Ohl showed the bizarre sample to his Bell colleagues, who were equally amazed. No one had ever seen a photovoltaic reaction like it...", backup
^ World record solar cell with 44.7% efficiency - ScienceDaily, backup
^ Effektivitet af solcelle, backup
^ Discover Circuits Magazine: Light Powered Cell Phone Battery Charger. By: Dave Johnson Citat: "...The curve below is the typical light sensitivity for a silicon solar cell...It turns out that if 900nm light were used the conversion efficiency is about 50%...", backup
^ spie.org: Upconverting glasses for high-efficiency solar cells Citat: "...We used this method to convert low-energy photons into high-energy ones demonstrating an increase in the efficiency of a photovoltaic system. Specifically, our system is glass doped with the trivalent rare-earth ion erbium (Er3+)...", backup
^ Stanford University (2010, August 2). New solar energy conversion process could double solar efficiency of solar cells. ScienceDaily. Retrieved October 2, 2010 Citat: "...The process, called "photon enhanced thermionic emission," or PETE, could reduce the costs of solar energy production enough for it to compete with oil as an energy source...Melosh's group figured out that by coating a piece of semiconducting material with a thin layer of the metal cesium, it made the material able to use both light and heat to generate electricity...Melosh calculates the PETE process can get to 50 percent efficiency or more under solar concentration, but if combined with a thermal conversion cycle, could reach 55 or even 60 percent -- almost triple the efficiency of existing systems...", backup
^ Step-down-smps-konverter: Sep 14, 1998, Electronic Design: Maximum-power-point-tracking solar battery charger backup, diagram, backup diagram
^ Web archive backup - nogle filer kan ikke downlodes: Step-up-smps-konverter: Selvbyg og teori: Sun energy converter for low input voltage (norsk)
^ Webarchive backup: June 29, 2006, oceanethanol.com: Ocean Ethanol Produces Ethanol and Methanol from CO2"...In the experiments at Battelle (PNNL) under contract from Global Energy and Ocean Ethanol LLC, ethanol, and methanol have been produced from CO2 and hydrogen...". Hovedadresse: Ocean Ethanol
^ "12 February 2004, Physicsweb: Fuel cells turn to alcohol". Arkiveret fra originalen 8. august 2004. Hentet 6. august 2004.
^ "February 15, 2004, Los Angeles Times: Cruising the Ethanol Highway". Arkiveret fra originalen 24. august 2004. Hentet 6. august 2004.
^ 19 april 2005, rosestreetlabs.com: RoseStreet Labs Announces Full Spectrum Solar Cell Commercialization Agreement With Cornell University (pdf) Citat: "...These solar cells will be the first commercialized...with potential efficiencies exceeding 55%..."
^ Webarchive backup: Wladek Walukiewicz, Materials Sciences Division, Berkeley Lab.: Full Solar Spectrum Photovoltaic Materials Identified. Citat: "... Maximum, theoretically predicted efficiencies increase to 50%, 56%, and 72% for stacks of 2, 3, and 36 junctions with appropriately optimized energy gaps, respectively...."

Se også

Eksterne henvisninger

Wikimedia Commons har flere filer relateret til Fotoelektrisk-celle
europa.eu: PVGIS Photovoltaic Geographical Information System – udgangspunkt statisk flade (solpanel, solvarmepanel). Tager højde for geografisk jordplacering (land, by), vinkel (inklination, øst-vest-orientering). Beregning viser energi i kwh per døgn, måned og år.
Historisk artikel om solceller i Danmark, backup

[1] technologyreview.com: No P-N Intended. A cracked crystal launched the silicon revolution Citat: "...Early in 1940 Ohl examined a silicon sample that had a crack down its middle. Something was strange about that crystal: when it was exposed to light, the current flowing between the two sides of the crack jumped significantly. Baffled, Ohl showed the bizarre sample to his Bell colleagues, who were equally amazed. No one had ever seen a photovoltaic reaction like it...", backup

[2] World record solar cell with 44.7% efficiency - ScienceDaily, backup

[3] Effektivitet af solcelle, backup

[4] Discover Circuits Magazine: Light Powered Cell Phone Battery Charger. By: Dave Johnson Citat: "...The curve below is the typical light sensitivity for a silicon solar cell...It turns out that if 900nm light were used the conversion efficiency is about 50%...", backup

[5] spie.org: Upconverting glasses for high-efficiency solar cells Citat: "...We used this method to convert low-energy photons into high-energy ones demonstrating an increase in the efficiency of a photovoltaic system. Specifically, our system is glass doped with the trivalent rare-earth ion erbium (Er3+)...", backup

[6] Stanford University (2010, August 2). New solar energy conversion process could double solar efficiency of solar cells. ScienceDaily. Retrieved October 2, 2010 Citat: "...The process, called "photon enhanced thermionic emission," or PETE, could reduce the costs of solar energy production enough for it to compete with oil as an energy source...Melosh's group figured out that by coating a piece of semiconducting material with a thin layer of the metal cesium, it made the material able to use both light and heat to generate electricity...Melosh calculates the PETE process can get to 50 percent efficiency or more under solar concentration, but if combined with a thermal conversion cycle, could reach 55 or even 60 percent -- almost triple the efficiency of existing systems...", backup

[7] Step-down-smps-konverter: Sep 14, 1998, Electronic Design: Maximum-power-point-tracking solar battery charger backup, diagram, backup diagram

[8] Web archive backup - nogle filer kan ikke downlodes: Step-up-smps-konverter: Selvbyg og teori: Sun energy converter for low input voltage (norsk)

[9] Webarchive backup: June 29, 2006, oceanethanol.com: Ocean Ethanol Produces Ethanol and Methanol from CO2"...In the experiments at Battelle (PNNL) under contract from Global Energy and Ocean Ethanol LLC, ethanol, and methanol have been produced from CO2 and hydrogen...". Hovedadresse: Ocean Ethanol

[10] "12 February 2004, Physicsweb: Fuel cells turn to alcohol". Arkiveret fra originalen 8. august 2004. Hentet 6. august 2004.

[11] "February 15, 2004, Los Angeles Times: Cruising the Ethanol Highway". Arkiveret fra originalen 24. august 2004. Hentet 6. august 2004.

[12] 19 april 2005, rosestreetlabs.com: RoseStreet Labs Announces Full Spectrum Solar Cell Commercialization Agreement With Cornell University (pdf) Citat: "...These solar cells will be the first commercialized...with potential efficiencies exceeding 55%..."

[13] Webarchive backup: Wladek Walukiewicz, Materials Sciences Division, Berkeley Lab.: Full Solar Spectrum Photovoltaic Materials Identified. Citat: "... Maximum, theoretically predicted efficiencies increase to 50%, 56%, and 72% for stacks of 2, 3, and 36 junctions with appropriately optimized energy gaps, respectively...."

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]