Introduksjon
De fleste vet nok at det er sollyset som omdannes til elektrisk energi i en solcelle, men hvordan skjer faktisk dette? I dette avsnittet skal vi forklare dette på en forenklet måte, altså uten å gå inn i den aller dypeste teorien og kvantefysikken, men fortsatt gi en korrekt beskrivelse av hva det er som foregår. Dette bør være relevant kunnskap for alle som jobber med solenergi, og tillitsvekkende for sluttkunder dersom man kan briljere med dette.
Solen
Solen gir oss en fantastisk mulighet til å produsere fornybar energi her på jorden. Faktisk bestråler solen oss med energi tilsvarende mer enn 10 000 ganger energibehovet på jorda. Videre er det faktisk sånn at de aller fleste av energikildene som vi benytter oss på jorda har sitt opphav fra solenergi på en eller annen måte. Det gjelder ikke minst vannkraft, som er rundt 91,7 % av energimixen i Norge, men også andre energikilder vi har, og som vi ikke ser på som like miljøvennlig. Vi snakker altså om olje, som er et produkt av blant annet fotosyntese drevet av solen for noen milliarder år siden. Det er altså liten tvil om at solen er en fantastisk og fornybar energikilde for oss her på jorda i overskuelig fremtid. Videre tar vi en snartur oppom sola, og ser raskt på hva det er som forgår der.
I kjernen av sola er det ekstremt høy temperatur og enorme mengder hydrogen. Den enorme temperaturen gjør at hydrogenatomer kan smelte sammen og danne helium.
Massen av to hydrogenatomer er litt høyere enn massen til ett heliumatom. Noe masse har altså blitt borte. Via formelen E=mc2 til vår kjære Einstein kan vi se at energi og masse er ekvivalente størrelser.
Massen som har blitt borte har altså blitt gjort om til energi, masse energi. Når grunnstoffer smelter sammen og danner nye grunnstoffer kaller vi det for fusjon.
Denne energien stråles ut fra solen som elektromagnetisk stråling og treffer jorden omtrent 8 minutter og 18 sekunder senere.
Figur 1: Einstein og hans velkjente formel E=mc^2 som viser seg å være relevant også innen solenergi
Fotoner
Selv om solenergi er opphavet til det meste av energikilder på jorden, er det den direkte utnyttelsen med solceller som vi skal se nærmere på her, og vi starter med å etablere et navn på solstrålene. Innen fysikken kalles disse for fotoner. Dette navnet bruker man forøvrig generelt for strålene i hele det elektromagnetisk spektrumet. Det vil si helt fra gamma-stråling i en ende av spektrumet, til radiobølger i den andre enden. Figuren under viser hele spektrumet, og samtidig hvor liten del av spektrumet som er visuelt synlig for oss mennesker.
Figur 2: Viser det elektromagnetiske spektrumet og applikasjoner samt egenskaper ved noen utvalgte bølgelengder. Hentet 16. juli 2014, fra NASA Science. Nettside: http://science.nasa.gov/ems/01_intro
Vi kan legge merke til at skalen på x-aksen er meter eller frekvens. Antallet meter er avstanden mellom toppene på bølgene, denne avstanden kalles for bølgelengde. Dette symboliserer vi vanligvis med den greske bokstaven l, som uttales lambda. Vi har frem til nå sagt at fotonene er bølger, men i visse tilfeller er det bedre å tenke på fotoner som små pakker av energi. Begge deler vil være riktig, noe som er en facinerende del av kvantefysikken, men utelates her.
Uansett er energien til hver av disse pakkene sentral, og det er heldigvis ikke en vanskelig formel for å beregne den:
der E er energien, h er planck´s konstant, c er lyshastigheten (3*10^8 m/s) og l er nevnte bølgelenden.
Fotonkrasj med elektroner
Nå skal vi fokusere inn på den delen av det elektromagnetiske spektrumet som sollyset inntar. Akkurat hvordan fordelingen ser ut, spesiellt med tanke på intensitet, vil avhengig av vinkelen mellom solen og den bestrålte flaten på jorden. Dette vises på figuren under, og tallet etter “AM” angir altså hvor mange effektive atmosfærer som lyset må reise gjennom. Dersom solen står rett over en flate på jorden vil tallet bli AM1. I standard testbetingelser for solcellepaneler brukes AM1.5.
Figur 3: Effektiv air mass for fontoner på vei mot jorda. Bilde er hentet fra https://www.greenrhinoenergy.com/solar/radiation/spectra.php den 01.08.24
Videre skal vi anta at fordelingen ser ut som på Figur 4. Figuren viser hvordan intensitet i sollyset varierer ved ulike bølgeleder. Som vi ser av figuren vil de støreste effektene leveres innenfor den synlige delen av spektrumet, markert med farger i henhold til bølgelengde.
Figur 4: Viser typisk spektrum som jorden bestråles med fra solen. Bølgelengder som mennesker kan se er markert i henhold til deres farge på spektrumet. Bølgelengder med energi tilsvarende 1,1 eV og 2 eV er markert inn med sort. Bilde er hentet fra: Solid state precipitation of spinels in zinc oxide – A microstructure study, Jørgen Bergli
Videre er det sånn at ulike materialer absorberer stråling med ulik bølgelengde, strålingen som ikke blir absorbert vil bli reflektert. Hvilke bølgelengder som blir reflektert og hvilke som blir absorbert har hovedsaklig med elektronstrukturen i materialet å gjøre.
Med elektronstruktur mener vi hvordan elektronene i materialet ønsker å plassere seg i forhold til hverandre.
En liten digresjon er at dette forklarer hvordan vi oppfatter farger. For eksempel vil en gressplen, som vi oppfatter som grønn, reflektere bølgelengden tilsvarende fargen grønn og absorbere de andre bølgelengdene med tilhørende farge.
Vi skal videre fokusere på det som blir absorbert. Når stråling, eller fotoner som vi nå har lært oss at det heter, blir absorbert av et materiale vil energien til fotonet kunne overføres til elektronstrukturen i materialet som blir bestrålt. Hvis energien som overføres er stor nok vil dette kunne slå elektroner løs fra plassen sin i materialet som blir bestrålt. Dette kalles for fotovoltaisk eller fotoelektrisk effekt, hvor vi kjenner igjen “foto” fra fotoner. Photo på engelsk stammer for gresk og betyr naturlig nok lys.
Nå begynner vi å nærme oss produksjon av elektrisitet fra sollys, som jo var målet med dette innlegget, men vi ønsker ikke at elektronene bare skal fly vekk fra materialet som beståres. Det er typisk det som skjer når metaller beståres med fotoner med tilstrekkelig energi.
Vi ønsker i stedet at elektronene skal bli i materialet og at vi kan kontrollere dem til å gå i en lukket krets. Får å få til dette trenger vi materieler med litt spesielle egenskaper. Såkalte halvledere har slike spesielle egenskaper, og silisium som du kanskje kjenner til fra før er en slik halvleder. Halvledere har den egenskapen at de hverken er gode elektriske ledere eller gode isolatorer. Denne egenskaper stammer fra en litt spesiell elektronstruktur, der deler av elektronskyen rundt et silisiumatom er tomt. Videre kan elektroner hoppe over i disse tomme områdene, eller båndene som de kalles, hvis de får tilført energi. Det er også et viktig poeng at disse båndene i utgangspunktet var tomme, fordi det gjør at elektroner som kommer dit kan bevege seg fritt. Halvledere har altså en litt spesiell elektronstruktur. Avstanden mellom det fylte og tomme båndet tilsvarer en viss energi, og blir kalt båndgapet til materialet. For at elektronene skal klare å gjøre dette hoppet over til det tomme båndet må energien til de innkommende fotonene være like stor eller større enn dette båndgapet.
Den observante leser har kanskje også lagt merke til at på Figur 4 er det markert to sorte linjer på 1,1 eV og 2 eV. Førstnevte er båndgapet til silisium, altså vil hele den synlige delen av spektrummet, pluss litt til, kunne abosorberes av silisium. Noe av utfordringen er at fotoner som har en høyere energi, for eksempel tilsvarende 2 eV, vil bli absorbert, men vil falle ned igjen til dette 1,1 eV nivået. Dette energitapet til elektronet blir ikke nyttiggjort, og gir dermed lavere effektivitet. Derfor er dette 2 eV nivået tegnet inn som et eksempel på hvordan man ønsker å løse dette i fremtiden med såkalte tandemsolceller. Slike celler består av flere materialer med ulike båndgap som dermed kan absorbere energien fra sollyset mer effektivt.
En lukket krets
Vi er nå nesten i mål med beskrivelsen av de fysiske prinsippene som ligger til grunn for solcelleteknologien, men vi har enda ikke laget oss en lukket krets. Her kommer begrep som pn-overgang og doping inn. Pn-overganger har vært helt sentrale i den teknolgiske utviklingen av datamaskiner, fordi den pn-overganger i hovedsak er det samme som en diode, og med noen mindre justeringer har man også en transistor.
For å forstå hva en pn-overgang er må vi også innom begrepet doping. Dette er ikke helt det samme som doping innen idrett, men i begge tilfeller er målet å justere egenskaper til et ønsket formål. Når vi snakker om doping innen halvlederteknologi er det å innføre noen få atomer av et annet grunnstoff i en halvleder. Disse “fremmedatomene” har en litt annen elektronstruktur. Det vil si, ett elektron mer eller ett elektron mindre, enn det silisiumatomer har. Innføringen av disse i silisium vil gi henholdsvis n-type eller p-type doping.
Med et elektron mer inne i halvlederen vil ikke dette elektronet ha en naturlig plass i strukturen, og på samme måte blir det et “hull” dersom fremmedatomet har et elektron mindre. Dersom begge disse typene doping gjøres på en halvleder, for eksempel silisium, fra hver sin side vil disse ekstra elektronene og ekstra “hullene” trekkes mot hverandre. Denne bevegelsen av ladninger, som både elektroner og hull er, medfører en barriere eller spenningsforskjell mellom de to sidene. Denne spenningsforskjellen vil øke frem til elektroner og hull ikke lenger kan bevege seg over barrieren. Når dette er oppnåd har vi en pn-overgang, og det er akkurat denne spenningsforskjellen som gjør at vi kan lage oss en lukket krets.
Når fotoner bestråles en av disse sidene, som for øvrig vil være en p- eller n-type solcelle, vil elektroner inne i halvlederen få nok energi til å overgå barrieren satt opp av pn-overgangen. Et meget viktig poeng nå er at hullet og elektronet ikke kan finne sammen igjen uten videre. Barrieren som er satt opp av pn-overgangen sørger for dette. Dermed kan vi tvinge elektronet til å måtte velge en annen rute for å finne tilbake til hullet. Dette gjør vi ved å koble n- og p-siden sammen med en ledning. Elektronet blir nå tvunget til å gå i denne ledning og vi kan koble til en last (for eksempel en lyspære) til denne ledning. Vi kan også merke oss at “ledningen” vi snakker om her er i første omgang er gitteret man kan se på overflaten til noen solceller og på Figur 5.
Voila! Strøm! 😀
Figur 5 under oppsummerer teksten på en god måte, og forstår du denne forstår du hvordan en solcelle fungerer.
Figur 5: Viser skjematisk hvordan en n-type solcelle fungerer. Området som omtales som Depletion zone er tilsvarende det vi omtaler som en barriere i teksten over. Kilde: Hentet 17.07.24 fra https://www.acs.org/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/archive-2013-2014/how-a-solar-cell-works.html