Vad är en solcell?

En solcell är en anordning som omvandlar ljus till elektricitet utan att ha en dynamo eller andra rörliga delar. Det finns några olika solcellprinciper, här beskriver vi den allra vanligaste principen, den såkallade pn-övergången.

Pn-övergång (också kallad pn-diod, likriktardiod) sker i halvledande ämnen. Det allra vanligaste halvledande materialet är kisel som utvinns ur sand (se vidare under solcelltillverkning). Det finns några andra halvledande ämnen eller blandning av andra grundämnen som ger halvledande egenskap.

Principen om hur pn-övergången fungerar är det samma oavsett vilket halvledande material som används. Här beskriver vi detta för kisel.

Enkristallin kisel.

Skissen nedan visar en bit av enkristallin (också kallas för monokristallin)  kisel. Att det kallas för enkristallin betyder att, som skissen visar, att kiselatomerna är ordnade regelbundet eftervarandra (i ett perfekt mönster). Strecken mellan atomerna beskriver kemiska bindningar mellan atomerna, det är dessa bindningar som håller atomerna ihop och utgör ett hårt fast ämne. Dessa kemiska bindningar är i själva verket elektroner fån kislets yttersta skal.

Fig. 1.a: Skiss av enkristallin kisel. Fyllda cirklar är kiselatomer, strecken är kemiskabindningar

En förutsättning för att ett ämne ska leda elektrisk ström är att det finns ”lösa” elektroner i materialet så att dessa kan röra sig fritt i materialet. Som ni ser i Fig. 1.a finns inga ”lösa” elektroner i den perfekta enkristallen av kisel och därmed leder inte denna konstruktion elektrisk ström.

Dopning av kisel

Kisel har fyra elektroner i sitt yttersta skal, genom placering som utgör en enkristall (Fig. 1.a) får varje kiselatom fyra närmaste grannar. En elektron från varje granne betraktas som en delad elektron, på det sättet upplever varje kiselatom att den har 8 elektroner i sitt yttersta skal. Denna konstruktion som också kallas för ädelgasstrukturen, är den mest attraktiva för alla ämnen i naturen och alla ämnen eftersträvar att uppnå detta (om möjligheten finns/ges till detta).

Som sagt, denna konstruktion leder inte ström,

n-dopning

Genom att byta en kiselatom mot en annan atom som har 5 elektroner i sitt yttersta skal, t.ex. en fosforatom, fås det som visas i Fig.1.b. I och med att det byttes en kiselatom med fyra elektroner i sitt yttersta skal mot en fosforatom med fem elektroner i yttersta skal, blir det en elektron över. Denna elektron är som ett "styvbarn", viss dragning till sin mamma (fosforatomen), å andra sidan mamman inte vill ha den då den hamnat i ny miljö (ädelgasstrukturen). Styvbarnet lämna mamman och svävar fritt i kristallen. Nu finns det en ”lös” elektron. Hädanefter kallar vi dessa för rörliga eller fria elektroner. En elektron kan inte göra under men byts tillräckligt många kiselatomer mot fosforatomer blir till tillräckligt många fria elektroner i enkristallen och därmed leder den elektrisk ström. Nu vet du varför kisel kallas för halvledare, den leder inte elektrisk ström i ren form men den kan göras ledande genom dopning.

Fig. 1.b: En kiselatom byts ut mot en atom med 5 elektroner i yttersta skalet (de röda i bilden). Varje tillförd atom har en lösbunden elektron som inte passar i ädelgasstrukturen (svarta prickarna)

Den sortens dopning som beskrevs här ovan kallas för n-dopning (negativ dopning). Genom att kisel byttes mot fosfor blev det överskott av fria elektroner och elektroner som bekant är negativ laddade.

Fig. 1.c: Den "lösa" elektronen rör sig fritt i kiselkristallen, kislet blivit delvis elektrisk ledande, kislet blivit n-dopat

p-dopning

I stället för att byta en kiselatom mot en fosforatom kan den bytas mot en atom som har 3 elektroner i sitt yttersta skal, t.ex. en aluminium- eller en boratom (Fig. 1.d). Nu saknas det en elektron för att få ädelgasstruktur. Styvmodern är nu som en desperat barnlös kvinna som till varje pris vill ha ett barn, den stjäl en från någon granne. Då blir grannen desperat och ”stjäl” en elektron från någon annan. På detta sätt har det åstadkommit rörelse av elektroner och därmed leder denna konstruktion också ström.

Vad som hänt är att det nu saknas elektroner för att få ädelgaselektroner, avsaknad av elektroner beskrivs i fysiken som hål. Ett hål tilldelas positiv laddning (motsatsen till elektronladdning). Processen att byta en kiselatom mot en atom med 3 elektroner i sitt yttersta skal kallas för p-dopning, positiv dopning.

Fig. 1.d: En kiselatom byts ut mot en atom med tre elektroner i yttersta skal (de gröna i skissen). Det saknas en elektron (skådliggörs som en tom cirkel) att bilda ädelgasstruktur

Fig. 1.e: Avsaknaden av elektronen (hål) byter plats genom att den atom som saknar en elektron "stjäl" en från en granne. Laddningar rör sig i kiselkristallen och kristallen blivit delvis ledande.

Pn-övergång

Får man ihop p-dopat och n-dopat kisel bildas den såkallade pn-övergången. Ena sidan, n-sidan har överskott på elektroner och andra sidan (p-sidan) har underskott av elektroner (överskott av hål). Elektroner och hål flyttar till motstående sida som det finns färre av dessa. Ena sidan av materialet får nu mer negativa laddningar och andra sidan mer positiva laddningar, detta resulterar i en potentialskillnad (spänning). Denna potentialskillnad eller spänning kallas för inbyggd spänning. Storleken på spänningen beror på flera faktorer (ett typisk värde är 0,5 till 0,7V). Detta sker under tillverkningen och kan inte ändras i efterhand.

pn-övergång

Den inbyggda potentialen sveper undan alla elektroner och hål vid försök av dessa att göra entré. Man har fått en såkallade utarmat område, ett område som blivit utarmat på rörliga laddningsbärare (fria elektroner och hål).

En pn-övergång är det samma som en likriktardiod. Den intresserade kan läsa på annat håll hur likriktardioder fungerar. I nästa avsnitt beskrivs hur pn-övergången fungerar som solcell.

Pn-övegång som solcell.

När ljus träffar kiselatomerna i kristallen, övergår ljusets energi till att bryta en kemiskbindning i kiselkristallen och därmed frigörs en elektron (och ett hål). Elektronen drivs åt det håll som har högre potential (uppåt i bilden) och hålet åt den sidan som har lägre potential (neråt i bilden). Elektroner sedan leds genom en extern krets, t.ex. genom en lampa eller elmotor och uträttar nytta och sedan tillbaka till solcellen och slår sig ihop med ett hål som väntar och cykeln är färdig. Nytt ljus sparkar iväg nya elektroner och processen fortsätter så länge som nytt ljus faller på solcellen.

Ljus (av tillräcklig energi) sparkar i väg elektroner från kislets bindningar (kiselatomer och bindningar visas inte i denna skiss). Dessa drivs ut av den inbyggda potentialen, sedan genom en extern krets och tillbaka till solcellens andra terminal.

En förutsättning för ljuset att sparka iväg en elektron är att den har tillräcklig energi. Detta kan jämföras med ett barn som står på marken och försöker kasta en boll till en balkong på första våningen. Om barnet inte orkar kasta 3meter hamnar inte bollen på balkongen utan tillbaka på marken. Det finns alltså en minsta gräns för ljusets energi (eller våglängd) att bli absorberad av kisel. Kisel absorberar alla synliga våglängder av ljuset och lite till av det infraröda ljuset.  Cirka 30 % av solens energi är inte synlig för ögat, en del av det osynliga kallas för ultraviolett och en del av det osynliga kallas för infraröd. Det är inom det infraröda som kisel inte absorberar ljuset så bra (väglängder över 1100nm).

Vidare, är det så att ett ljuskvantum kan endast sparka iväg en elektron oavsett hur mycket energi den har. När ljuset har mer energi än nödvändig blir överskottet värme och inte mer ström.

Detta kan jämföras med barnet som kastar bollen till balkongen. Om barnet orkar kasta 10m och balkongen är på 3m höjd så landar ändå bollen på balkongen, det var helt onödig att barnet gav så mycket kraft och kastade 10m.

Vekningsgrad

Verkningsgrad definieras som kvoten mellan nyttig arbete/energi och tillförd arbete/energi.  Från solen kommer varje sekund viss mängd energi, solcellen kan omvandla viss del av detta till elektrisk ström, kvoten av dessa kallas för verkningsgrad. Typisk verkningsgrad för kommersiella solceller är 13-16%.  Den absolut högsta teoretiska verkningsgraden på solceller på kisel är nära 30 %. I labbmiljö har man lyckats med solceller på 25-26% verkningsgrad.

Orsaken till den relativ låga verkningsgraden är 1) ett ljuskvantum kan skapa endast en elektron (och ett hål) och 2) våglängder av 1100nm och större absorberas inte av kislet.

Solpaneler

Spänningen av en solcell är cirka 0,6V i solen (något mindre i skugga) i form av likspänning. 0,6V har man knappast någon användning för. För att höja spänningen seriekopplar man flera solceller till en solcellspanel, oftast kallas bara solpanel. Typiska antal solceller i en solpanel är 36 solceller för laddning av 12V batterier eller 72 solceller för att ladda 24V batterier. Det förekommer  också solcellspaneler med andra antal solceller för andra applikationer.

Verkningsgraden sjunker ytterligare när solceller görs till solpaneler. Att strömmen går i serie genom alla solceller i en solpanel, att strömmen passerar relativ tunna anslutningar och att det finns ett skyddsglas över solcellerna medför förluster. Typisk verkningsgrad på solcellspaneler (på enkristallin kisel) är på 12-14%.