Solceller har blivit en central del av omställningen till hållbar energi. De sitter på villatak, stora solparker och i allt från miniräknare till satelliter. Men vad händer egentligen i materialet när solljus omvandlas till elektricitet?
För att förstå detta behöver vi titta närmare på både fysik och kemi – framför allt halvledarmaterial och hur elektroner beter sig.
Vad består en solcell av?
De flesta kommersiella solceller är tillverkade av kisel, ett grundämne som är vanligt förekommande i jordskorpan. Kisel är ett halvledarmaterial, vilket betyder att det kan fungera både som isolator och ledare beroende på hur det behandlas.
En typisk solcell består av:
- två lager kisel med olika egenskaper
- metallkontakter som leder bort strömmen
- ett antireflexskikt som minskar ljusförluster
- ett skyddande glaslager
Det är främst i kiselskiktet som den viktiga processen sker.
Vad innebär dopning av kisel?
Rent kisel leder ström dåligt. För att göra det mer funktionellt tillsätts små mängder av andra grundämnen – en process som kallas dopning.
- När man tillsätter fosfor skapas ett så kallat n-skikt (överskott på elektroner).
- När man tillsätter bor skapas ett p-skikt (underskott på elektroner, så kallade “hål”).
När dessa två skikt möts uppstår ett p-n-skikt där elektroner och hål ordnar sig i ett elektriskt fält. Detta fält är nyckeln till att ström kan skapas.
Vad är den fotoelektriska effekten?
När solljus träffar solcellen absorberas fotoner (ljuspartiklar) i kislet. Energin från fotonerna kan frigöra elektroner från sina positioner.
Kortfattat:
- Ljuset absorberas i kislet.
- Elektroner får energi och frigörs.
- Det inbyggda elektriska fältet i p-n-skiktet “styr” elektronerna åt ett håll och hålen åt det andra.
När vi kopplar en yttre krets kan elektronerna flöda genom den – och vi får elektricitet.
Varför varierar verkningsgraden?
Alla fotoner som träffar solcellen omvandlas inte till elektricitet. Förluster sker bland annat genom:
- reflektion (ljus studsar bort)
- värmeutveckling
- rekombination (elektroner och hål möts igen innan de hunnit bidra till ström)
Materialkvalitet, konstruktion och temperatur påverkar därför solcellens verkningsgrad, det vill säga hur stor andel av ljusenergin som blir el.
Moderna solceller når idag omkring 18–23 procent verkningsgrad i kommersiella system, medan forskningsceller i laboratorier kan nå betydligt högre.
Finns det olika typer av solceller?
Ja – utvecklingen går snabbt och flera tekniker används parallellt.
Kiselsolceller (monokristallina och polykristallina)
Vanligast på marknaden. Bra effektivitet, hög livslängd och relativt moget tillverkningssystem.
Tunnfilmssolceller
Tillverkas av mycket tunna lager material (t.ex. CdTe eller CIGS). De är lättare och flexiblare, men har ofta lägre verkningsgrad.
Perovskitsolceller
En nyare teknik som visar lovande resultat. Kan bli billigare att producera, men stabilitet och livslängd behöver förbättras.
Miljöaspekter – är solceller “helt gröna”?
Solenergi är förnybar, men tillverkningen av solceller kräver:
- energi
- kemikalier
- råmaterial
Det innebär att klimatpåverkan och resursanvändning måste räknas in. Samtidigt visar livscykelanalyser att solceller, över sin livstid, genererar mycket mer ren energi än vad som krävs för att tillverka dem – särskilt om de sitter på rätt plats och används länge.
Återvinning av komponenter är dessutom ett område som utvecklas snabbt.
Sammanfattning
Solceller fungerar genom att solljus frigör elektroner i ett dopat halvledarmaterial. Det elektriska fältet i p-n-skiktet styr elektronerna så att en elektrisk ström uppstår. Verkningsgrad, materialval och konstruktion avgör hur mycket el som faktiskt produceras.
Bakom varje panel på ett tak döljer sig alltså avancerad kemi och materialvetenskap – men resultatet är enkel, tyst och utsläppsfri energi.