Hvordan lage verdens beste solcelle?

Illustrasjonsfoto: colourbox.com

For å tilfredsstille vår stadig økende appetitt på energi uten å ødelegge miljøet, er det veldig viktig at vi klarer å utnytte energien i sollyset på en direkte, billig og effektiv måte. Indirekte sørger sola for at det regner i vannmagasinene og blåser på vindmøllene. Til og med oljen under bakken er lagret sollys fra millioner av år tilbake. Den mest elegante måten å gjøre sollyset om til energi, er imidlertid gjennom en solcelle: Sollyset kommer inn i solcella og overfører energien sin til et elektron. Når elektronene først er «sparket løs», kan de bevege seg rundt i materialet, og vi kan bruke et elektrisk felt til å sveipe dem avgårde og ut i en ytre krets. Figuren til høyre viser en skjematisk illustrasjon av hvordan solcellen virker. På denne måten lager solcella høyverdig elektrisk energi som kan sendes rett inn på strømnettet. Det er ingen bevegelige deler som blir slitt. Når solcellepanelet først er satt opp, kan det produsere strøm i minst 30 år, sannsynligvis enda lenger.

I en solcelle kommer sollyset inn i halvledermaterialet (1) og sparker løs et elektron fra strukturen (2). Elektronet virrer rundt i cellen (3) til det blir fanget opp av et elektrisk felt dannet i grensesjiktet mellom to lag med ulike urenheter, såkalt doping (4). Elektronene går rundt i en ytre krets og leverer energi på vei tilbake (5). Ill.: Halvard Haug

De fleste solceller i dag lages av grunnstoffet silisium, og har en effektivitet (andel utnyttet energi fra sollyset) på mellom 17 % og 25 %. Det blir brukt store ressurser på forskning og utvikling både for å gjøre solcellene billigere og på å forbedre denne effektiviteten, slik at solstrøm kan bli konkurransedyktig stadig flere steder. For å forstå hvordan vi kan gjøre solcellene mer effektive, er det viktig å forstå hvor den tapte energien blir av. Grovt sett kan vi dele dette energitapet opp i to kategorier. For det første klarer vi ikke samle opp alle elektronene som blir sparket løs inne i solcella. De elektronene som samles opp, mister også noe av energien sin på vei ut i den elektriske kretsen. For det andre er det vanskelig å absorbere alt lyset inne i solcella, og det er heller ikke mulig å utnytte alle de ulike fargene i solspekteret like effektivt. Det første punktet, som handler om de elektriske egenskapene til solcella, er et stort fagfelt i seg selv, men i denne artikkelen skal vi bare konsentrere oss om det andre punktet som handler om lyset. Hvordan kan vi absorbere så mye av lyset som mulig, og hvorfor er det så vanskelig å skvise ut all energien fra sollyset?

Nøkkelen til å svare på det siste spørsmålet ligger i egenskapene til materialet som absorberer lyset. Materialet som brukes til å lage en solcelle er som regel en halvleder, dvs. et materiale som verken er et metall eller en elektrisk isolator, men noe midt mellom. Elektronene i en halvleder sitter i utgangspunktet fast i atomstrukturen, men hvis vi tilfører dem energi, kan de bli løftet opp, eller eksitert, til et høyere energinivå. Energiforskjellen mellom grunntilstanden og det eksiterte nivået kalles for båndgapet. Det hvite lyset fra sola består av lys med mange forskjellige bølgelengder, fra langbølget infrarødt lys til kortbølget UV-lys. Vi kan imidlertid også se på lyset som små, masseløse partikler kalt fotoner, og hvert foton bringer med seg en bitteliten energipakke som kan overføres til et elektron. Energien til fotonene er omvendt proporsjonal med bølgelengden. UV-lyset med kort bølgelengde har dermed mye energi, og det infrarøde lyset med lang bølgelengde har lite energi. Midt mellom ligger det synlige lyset. Figuren under viser fordelingen av fotonene i solspekteret, sammen med de ulike fargene i den synlige delen av spekteret. Legg merke til at det er flest fotoner i det synlige området. Dette er slett ikke tilfeldig. Menneskeøyet har naturlig nok utviklet seg til å være mest følsomt i det området der mesteparten av sollyset er.

Solspekteret – dette er det vi har å ta av når vi skal designe ei solcelle. Det synlige lyset er vist med farger, men det er også ganske mange fotoner i det infrarøde området til høyre. Båndgapet til noen kjente halvledere er tegnet inn: silisiumkarbid (SiC), gallium-arsenid (GaAs) og silisium (Si). Ill.: Halvard Haug

Siden elektronene i halvlederen ikke kan ha hvilken som helst energi, men enten må være i grunntilstanden eller i det eksiterte energinivået, er det ikke alle fotonene i solspekteret som kan overføre energien sin. Bare fotonene med energi høyere eller lik båndgapet kan sparke løs elektronene, resten passerer rett gjennom halvlederen uten at vi kan bruke dem til noe. Dette er illustrert i figuren under. (a) viser hva som skjer når fotonene har mer energi enn båndgapet; elektronet faller umiddelbart ned til det eksiterte energinivået og den ekstra energien går tapt som varmeenergi. (b) viser den ideelle situasjonen: Her har lyset akkurat nok energi til å eksitere elektronet, og all energien fotonet bærer med seg blir overført. Den siste mulige situasjonen er vist i (c): Her har fotonet mindre energi enn båndgapet, og passerer dermed rett gjennom solcella uten at energien blir overført til et elektron.

Illustrasjon av lys som absorberes inne i en halvleder. Dersom de innkommende fotonene har nok energi, kan de overføre energien sin til et elektron i grunntilstanden og løfte det opp i en eksitert tilstand. Overflødig energi som er høyere enn båndgapet går tapt som varmeenergi, slik at elektronene aldri ender opp med mer energi enn båndgapet. Ill.: Halvard Haug

Effektiviteten til solceller

Nå tenker du kanskje: Hvorfor bruker vi ikke bare en halvleder med skikkelig lavt båndgap til å lage solceller, slik at vi får brukt alle fotonene til å lage strøm? Det stemmer at ei slik solcelle vil produsere mye strøm, men da glemmer vi en viktig ting: Vi trenger også å lage spenning. Den vesentlige størrelsen her er nemlig den elektriske effekten (P) som produseres, og den er gitt av strømmen (I) multiplisert med spenningen (U); P = U I. Mens strømmen er gitt av antall elektroner vi klarer å eksitere, er den elektriske spenningen som solcella skaper, bestemt av hvor mye energi elektronene har når de kommer ut. Og det er kanskje lett å tenke seg at jo større båndgapet er, jo høyere opp i energi må vi løfte elektronene, og jo større blir spenningen i solcella.

Når vi skal velge et halvledermateriale å lage solceller av, må vi altså balansere strøm og spenning mot hverandre: Høyt båndgap gir lite strøm og mye spenning, lavt båndgap gir mye strøm og lite spenning. Ved å ta fordelingen av fotonene i solspekteret med i beregningen, er det mulig å regne seg fram til at den teoretisk sett beste solcella laget av én enkelt halvleder bør ha et båndgap på ca. 1,4 eV, med en maksimal teoretisk effektivitet på 33 %¹. Båndgapet til silisium, som er det vanligste materialet i dagens solceller, er på 1,12 eV og er dermed litt lavere enn det som er optimalt. Solceller av silisium har derfor en maksimal effektivitet på 29 %. Egentlig bør vi være fornøyd med at dette ikke er så langt unna det optimale båndgapet. Silisium er tross alt det nest vanligste grunnstoffet i jordskorpa etter oksygen, så det er veldig praktisk at det også viser seg å være en halvleder som attpåtil har et velegnet båndgap til å utnytte seg av sollyset!

Som vi har sett er det begrensninger for hvor gode solceller kan bli når de lages av ett enkelt materiale, men de kan likevel være en viktig del av energiproduksjonen. Solcellebransjen har i mange år jobbet hardt med forskning og prosessforbedringer for å gjøre teknologien mer konkurransedyktig sammenlignet med fossilt brensel og andre energiformer. I fjor satte det japanske selskapet Panasonic ny verdensrekord for silisiumsolceller med en virkningsgrad på 25,6 %², altså nesten 90 % av det som er teoretisk mulig. Solcellepaneler har også blitt veldig mye billigere de siste årene ettersom produksjonsvolumene har økt og bedre prosesser har blitt utviklet. Denne kostnadsreduksjonen sammen med økt effektivitet har ført til at bruken av solenergi har økt dramatisk. I slutten av 2014 hadde verden installert 177 GW med solcellepaneler, over 10 ganger så mye som i 2008! Etter flere år med ambisiøs energipolitikk får nå Tyskland, Italia og Hellas 7–8 % av elektrisiteten sin fra solceller, og flere andre store markeder følger etter. Selv om slike tall er imponerende i seg selv, er det imidlertid fortsatt en lang vei å gå. Fremdeles utgjør solceller bare 1 % av verdens energiproduksjon.³ Det er derfor viktig å fortsette å øke effektiviteten og redusere kostnadene også i fremtiden. Men som vi har sett, er det en fundamental begrensing på hvor effektive solceller kan bli. Hvordan kan vi fortsette å øke effektiveten over 33 %?

Tandemsolceller – framtidas solceller?

En mulig løsning på denne utfordringen er å sette sammen flere solceller med ulikt båndgap til ei kombinert solcelle kalt ei tandemcelle. Ideen er illustrert i figuren under: Den øverste solcella er laget av et materiale med høyt båndgap og benytter seg dermed av fotonene med høy energi, mens den slipper resten av fotonene gjennom til solcella under. Den neste solcella har et mellomstort båndgap og den nederste et lavt båndgap. På denne måten kan hver solcelle virke mer optimalt på hver sin bit av solspekteret, og mindre energi går til spille.

Skjematisk illustrasjon av båndgapene i ei tandem-solcelle. Når flere solceller med minkende båndgap settes sammen, kan hver av cellene operere mer ideelt for ulike deler av solspekteret. Ill.: Halvard Haug

Det har vært forsket på tandemceller i mange år, og den nåværende rekorden innehas av ei tandemcelle som består av fire ulike enkeltceller som er bygget sammen, med en total effektivitet på 46 %⁴. Disse cellene brukes imidlertid i liten grad til energiproduksjon i dag da de er veldig dyre å produsere, og den resulterende strømprisen blir derfor for høy til å være konkurransedyktig. Dersom vi klarer å finne billigere måter å lage tandemceller på, ville det derfor vært veldig gode nyheter for økt bruk av solceller og en mer miljøvennlig energiproduksjon. En spennende mulighet er å lage ei rimelig tandemcelle der den ene av enkeltcellene består av krystallinsk silisium, slik at vi kan benytte oss av all den eksisterende teknologien og produksjonsprosessene vi har i dag. Som du kanskje skjønner – det er spennende tider for oss solcelleforskere!

Artikkelforfatteren (til venstre) med en kollega på IFEs solcellelaboratorium på Kjeller. Foto: Mona Lunde Ramstad, IFE

Fotnoter

¹ For mer om maksimal effektivitet hos solceller, se: en.wikipedia.org/wiki/Shockley-Queisser_limit
² Panasonic HIT® Solar Cell Achieves World’s Highest Energy Conversion Efficiency of 25.6% at Research Level news.panasonic.com/press/news/official.data/data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html
³ Alle tallene i dette avsnittet er hentet fra rapporten Snapshot of Global PV 1992-2014. International Energy Agency — Photovoltaic Power Systems Programme, 30 March 2015. www.iea-pvps.org
⁴ EE Times Europe, French-German collaborators claim solar cell efficiency world record, http://www.eenewseurope.com/news/french-german-collaborators-claim-solar-cell-efficiency-world-record