Ekspertintervjuet: Slik virker en solcelle – Energi og Klima

Ekspertintervjuet: Slik virker en solcelle

Noen stoffer kan lede strøm bedre når de får solstråler på seg. Solceller utnytter seg av dette til å lage energi. Professor Marisa Di Sabatino Lundberg forklarer.

To halvledere med litt ulike egenskaper, N-type og P-type, legges inntil hverandre. Energien i fotonene i sollyset får elektroner i halvlederne til å «hoppe opp» fra ett energinivå til et annet. Samtidig dannes det elektronhull. Det elektriske feltet i P/N-overgangen tvinger elektronene (-) og elektronhullene (+) i hver sin retning, mot elektrodene (de mørkegrå lagene over og under halvlederne). Illustrasjon: Jørgen Håland/jhaland.com

<2°C: – Hvordan får vi strøm ut av en solcelle? Jeg skjønner at energien fra solstrålene konverteres til strøm, men hva er det som foregår inni der? Og hva er det med silisium som er så magisk?

Marisa Di Sabatino Lundberg: – En solcelle består først og fremst av en halvleder. Halvledere er materialer som normalt leder strøm dårlig, men som under bestemte forutsetninger kan lede strøm bedre.

Ekspertintervjuet

Marisa Di Sabatino Lundberg er professor ved Institutt for materialteknologi ved NTNU.

– Hvordan?

– Et atom består av en positivt ladet kjerne, og negativt ladete elektroner som svirrer rundt kjernen. Halvledere består av flere atomer og hvert atom er da påvirket av sine naboatomer. Dette er sentralt for at det dannes bånd av energi, som elektronene befinner seg i.

Alle materialer har slike bånd: ledningsbånd og valensbånd. I valensbåndet er elektronene bundet til atomkjernen, i ledningsbåndet kan de bevege seg friere, og dermed også lede strøm.

I metaller, som er gode ledere, ligger disse båndene veldig nært hverandre, noe ganger kan de til og med overlappe. I isolatorer og halvledere er det avstand mellom dem, og de ytterste elektronene befinner seg normalt i valensbåndet. Skal de overkomme avstanden til ledningsbåndet, trengs energi.

Tilføres nok energi, kan elektronene i en halvleder «hoppe opp» fra valensbåndet til ledningsbåndet. Da leder stoffet strøm – fordi strøm er elektroner i bevegelse. Samtidig dannes det et «hull» der elektronet pleide å være. Derfor, hver gang et elektron beveger seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, får vi et såkalt «elektron-hull-par». Det er viktig, og det kommer vi tilbake til.

Ad
Vi støtter Tograder-prosjektet:

Elektrisk felt

– OK. Og hva er det med silisium?

– Silisium er en slik halvleder, som leder strøm dårlig. Men dersom vi «doper» silisiumet med et stoff som fosfor, øker vi ledningsevnen fordi fosforet gjør at det kreves mindre energi for elektroner til å hoppe til ledningsbåndet.

– Så når sollys treffer silisium med fosfor i seg, hopper elektronene opp i ledningsbåndet, og så får vi strøm?

Dette intervjuet er gjort i forbindelse med vårt nye temanotat: Solenergi mot 2050. Her finner du mer informasjon om ulike vippeelementer og vippepunkter, fortalt gjennom intervjuer med ledende forskere på området.

Les notatet her

– Sollys kan gi elektroner nok energi til å hoppe til ledningsbåndet. Men hvis sollyset forsvinner, vil elektronet bare hoppe tilbake i hullet det laget. Da får du ikke noe strøm, så det må du prøve å unngå. Det kan du gjøre ved å lage solcellen av to lag med halvledere. Hver del har ulike egenskaper for å få laget et elektrisk felt, som gjøre det slik at elektronene ikke går tilbake til hullene, men fortsette å bevege seg og lage strøm.

– Men hvordan?

– I sted snakket jeg om å tilsette litt fosfor for å få elektroner til å bevege seg. Men du kan også tilsette et annet stoff til silisium for å tilføre hull. For eksempel bor. Da får du en motsatt effekt – du får elektronhull, uten at du har elektroner til å fylle dem.

Trikset er å legge disse to halvlederne sammen. På den ene siden har du da silisium/fosfor. Det kaller vi N-type, det negative laget, og der har vi mer elektroner. På den andre siden har du silisium/bor. Det kaller vi P-type, det positive laget, og der har vi mer frie hull.

En forenklet forklaring

– Men går ikke bare elektronene over i hullene, da?

– Nei, siden når vi danner denne P/N-overgangen, danner vi også et elektrisk felt som hindrer elektronene å gå mot hullene.

For å si det veldig forenklet: Når du da tilfører sollys, får du laget nye elektron-hull-par i P/N-overgangen. De må på grunn av det elektriske feltet fortsette å gå til hver sin side – negativt ladde elektroner dras mot det positivt ladde P-laget. Hullene, som vi kan se på som positivt ladde, vil dras mot det negativt ladde N-laget. Men dersom du så kobler de to lagene sammen i en elektrisk krets, vil elektronene bevege seg fra P-laget til N-laget. Og da har du fått elektrisk strøm.

– Nå gjetter jeg at virkeligheten er noe mer komplisert.

– Det er den. I praksis kan du ikke lage solceller med silisium på den måten. Galliumarsenid er annerledes, der kan man dytte elektroner og elektronhull direkte over på denne måten. Silisium er mer komplisert og krever i praksis to trinn.

I tillegg har man såkalte «multijunction»-solceller, der man kombinerer flere halvledertyper, og dermed flere P/N-overganger.

Mest silisium

– Likevel er det mest silisium som brukes?

– Ja, over 90 prosent av solcellemarkedet er silisium-basert. Enten mono- eller polykrystallinsk. Mest fordi det er billig, silisium er lett tilgjengelig og relativt lett å lage i kvalitet som kreves til solceller. Silisium dannes fra silisium dioksid (SiO2) og er ved siden av oksygen det grunnstoffet vi finner mest av i jordskorpen.

Men det er ikke det mest effektive stoffet. Hvor mye du kan få ut av en solcelle avhenger av hvor mye av sollyset du klarer å utnytte. Dersom du begrenser deg til å bare bruke silisium, vil cirka 31 prosent være et teoretisk maksimum. De du får kjøpt nå, ligger normalt på 20-24 prosent. Rekordeffektivitet for silisium-solceller ligger på cirka 26,7 prosent nå. Så det nærmer seg maksutnyttelsen.  

– Vil silisium være det viktigste i fortsettelsen også?

– Det er ikke så lett å svare på. Det avhenger først og fremst av kostnadsutviklingen. Det finnes tandemceller og multijunction-typer som har høyere effekt, men det koster. Det forskes også på nye halvledere – perovskitter har fått mye oppmerksomhet i det siste. De gir noe høyere effektivitet, men den reduseres over tid. Og et panel må vare i 20-30 år.

Best å bruke fornybar kraft i solcelleproduksjon

– Apropos: Det kommer voldsomt mye solceller og silisium fra Kina, og mye av dem er produsert med kullkraft som innsatsmiddel – er det så greit?

– På litt lengre sikt vil det endre seg. Her er begrepet «energy payback time» sentralt. Du må bruke energi for å lage solceller også. Spørsmålet vil da alltid bli hvor lang tid du må bruke solcellen for å lage så mye strøm som gikk med i produksjonen. Så det er viktig for det første å kutte den kostnaden, men det vil også få større og større betydning hva slags strøm som er brukt.

Hele poenget med energiovergangen er jo å få ned bruken av fossil energi. Da er det viktig at solceller har et fossilfritt livsløpsregnskap. Vi vet jo at silisium produsert i Norge er laget på fornybar kraft. Det gir et lavere karbonfotavtrykk. Så dersom vi på sikt ville fått en eller annen form for karbonskatt ved grensen, ville norske silisium- og solcelleprodukter stått seg veldig bra.

<2°C eies av

I samarbeid med