Den franske fysiker Alexandre Edmond Becquerel gjorde den sensationelle opdagelse allerede i 1839: Når lys (foto) falder på visse stoffer, dannes spænding (voltaisk). Men hvordan fungerer det med solceller? Vi forklarer, hvordan de fungerer.
Efter opdagelsen tog det 120 år for solceller at tjene som energikilde for de første satellitter og rumfartøjer. I mellemtiden er solcellen blevet en populær elleverandør til energibesparelser
Dette er hvad solcellen består af
Kun visse materialer kan konvertere lys til elektricitet, et af dem er silicium. Mere end 90 procent af alle solceller er lavet af silicium. Dens fordel: Råmaterialet kvartssand fås i tilstrækkelige mængder på jorden, og silicium er miljøvenligt.
Lys løsner elektroner i grænselaget (grøn), som strømmer tilbage udefra via pæren.
En krystallinsk solcelle består normalt af to lag silicium - sammen to til tre tiendedele af en millimeter tyk.
På solsiden er silicium bevidst blandet med fosforatomer. For at sige det enkelt har fosforatomer en negativ elektron for mange (dvs. negative). Boratomer sidder på den anden side af cellen - de har en elektron for få (dvs. positive). De negative og positive lag berører.
Elektricitet strømmer fra solcellen via ladningskontroller og invertere til batteriet eller elnettet.
Med lys til strømmen af elektricitet
Når lys rammer cellen, sættes elektroner i bevægelse. Når de først er kommet i gang, hopper de over grænsen fra det negative til det positive lag, hvor der mangler elektroner - andre bevæger sig op. Elektronerne migrerer tilbage til deres gamle lag på undersiden af cellen via et metalgitter (kontaktfinger), kabel og bærerplade (kontakt). Når kredsløbet er lukket, strømmer den elektriske strøm. Jo flere lysstråler rammer elektronerne, jo mere produceres der elektricitet. Hvis bestrålingen forbliver den samme, afhænger effektforøgelsen udelukkende af overfladen. Jo større overflade, jo højere strømstyrke. Hvis solen skinner stærkere, producerer solcellen mere elektricitet. Dette er jævnstrøm, da det også opbevares i batterier. Solceller kan dog ikke lagre elektricitetde leverer det.
Solmodulet
Solceller kan ikke arbejde udendørs uden beskyttelse. De skal være under et dække: modulet.
Flere solceller er forbundet sammen for at danne en enhed i modulet. Krystallinske celler strammes sammen og er forbundet med hinanden. Trådene er pakket i plastfilm og placeret mellem to glasplader. Tyndfilmteknologien producerer en stor celle, når glaspladen fordampes. En laser skærer dem i strimler, der er indbyrdes forbundne.
En strømforsyningsenhed, også kaldet en inverter, konverterer den jævnstrøm, der genereres af modulerne, til vekselstrøm (230 volt vekselspænding). Al den genererede elektricitet føres ind i det offentlige net. Dette aflønnes i overensstemmelse med "loven om vedvarende energikilder" (EEG).
To typer: krystallinske og amorfe solceller
Der er to typer solceller: krystallinsk og amorf. Krystallinske celler tegner sig for omkring 80 procent af den globale produktion.
Monokrystallinske solceller: Udgangsmaterialet er dyrt ultrarent silicium, der ekstraheres fra en siliciumsmelt i en tidskrævende og kostbar proces, presses i stænger og skæres i skiver med en diameter på op til 12 centimeter. I monokrystallen er alle atomer justeret på samme måde. De blå til sorte, på anmodning også forskellige farvede celler, udnytter solens stråler i laboratoriet med op til 24 procent; i praksis dog kun op til 16 procent.
Multikrystallinske solceller: Industrielt produceret polysilicium er billigere end produktionen af monokrystaller. I praksis er effektiviteten af de blålige celler 11 til 14 procent.
Krystallinske celler mister næppe deres effektivitet selv over årtier.
Amorfe solceller
De billigere amorfe celler er velegnede til vandfunktioner i haven eller husholdningsvægte i huset såvel som på store facader. Hvis pladsen til et stort solcelleanlæg er begrænset, fungerer de krystallinske celler mere effektivt.
Sådan bygges amorfe celler: Det elektricitetsfrembringende lag fordampes på en glasplade. Atomer opbevares ikke længere i en krystalstruktur, men på en uordnet (amorf) måde. Denne proces kræver relativt lidt silicium: det sænker prisen. Sammenlignet med de 0,2 til 0,3 millimeter tykke krystallinske celler måler tyndfilmceller kun 0,01 til 0,05 millimeter. Cellerne er brune eller antracit og har en effektivitet på seks til syv procent. På dystre dage leverer amorfe celler mere elektricitet end andre.
Effektiviteten af amorfe celler falder med årene: Efter 20 år er det omkring 70 procent af det oprindelige output.
Moderne solmoduler kan også installeres diskret på terrassetaget eller carporten.
nye teknologier
To nyere tyndfilmceller fungerer uden silicium: materiale fremstillet af kobberindiumdiselenid (CID) og af cadmium tellurid (CdTe). De nye celler bruges i øjeblikket i pilotanlæg. Fremtidens teknologi er en ny tyndfilmsproces, hvor et krystallinsk siliciumlag påføres et bærermateriale. Dette kombinerer den høje effektivitet af krystallinske celler med det lave materialeforbrug af tyndfilmceller.
Er der nogen grænser for ydeevne?
Som forklaret ovenfor opnår monokrystallinske moduler de højeste effektivitetsniveauer efterfulgt af polykrystallinske solmoduler. Fordelene ved de monokrystallinske moduler opvejes imidlertid af de høje energi- og omkostningsudgifter til dyrkning af siliciumkrystaller. En nyere udvikling kunne have et stort potentiale her: de kvasi-monokrystallinske moduler. Disse er polykrystallinske moduler, der takket være et specielt kontrolsystem har lignende egenskaber som monokrystallinske moduler under krystalvækst.
Effektiviteten af et stof kan ikke videreudvikles efter ønske og har naturlige grænser - fordi materialet kun kan behandle bestemte bølgelængder af lys. Med monokrystallinske siliciummoduler er den højest mulige effektivitetsgrad omkring 29 til 33 procent - i teorien.
Er dette nået slutningen af flagstangen? Nej, fordi nye teknologier også skaber nye muligheder. Såkaldte tandemsolceller kan for eksempel øge effektiviteten ved hjælp af et simpelt princip: Hvis du stabler forskellige materialer til forskellige dele af lysspektret oven på hinanden, øges effektiviteten også. Mere end 40 procent er allerede opnået, og mere end 80 procent kan tænkes for fremtiden.
Den naturlige effektivitet forbedres også yderligere. Japanske forskere annoncerede en ny effektivitetsrekord for silicium-solceller på 26,3 procent i begyndelsen af 2017. Det er ikke langt fra den materialespecifikke grænse. Her gælder dog følgende: En højere grad af effektivitet gør kun solenergi billigere, hvis produktionsomkostningerne ikke stiger i samme omfang.