Tredje generasjon solceller

I det følgende gjennomgås først virkemåten til dagens solceller, og deretter presenteres en rekke spenstige konsepter som kan muliggjøre solceller med langt høyere effektivitet, og følgelig en langt lavere strømpris enn den som er oppnåelig med dagens teknologi. Slike solceller blir ofte kalt tredje generasjon solceller.

Hvordan fungerer en solcelle?

En solcelle er en komponent som er i stand til å konvertere energien i sollyset direkte til elektrisk energi. En typisk solcelle består i hovedsak av en skive (wafer) av en halvleder (se faktaboks) som er belagt med elektroder over og under, som vist i figur 1.

Figur 1: En solcelle består i hovedsak av en halvlederskive som det er lagt elektroder på foran og bak. Under belysning leverer solcellen strøm til en last (for eksempel en liten motor) som bestemmer spenningen over solcellen.

Enkelt fortalt fungerer en solcelle ved at fotonene i sollyset absorberes i halvledermaterialet. For at et foton skal kunne absorberes, må det ha en fotonenergi (E_foton = hf, hvor h er Plancks konstant og f er frekvensen til lyset) som er større enn båndgapet. I absorpsjonsprosessen gir fotonet all sin energi til et bindingselektron som dermed får nok energi til å løsrives fra den posisjonen det hadde i halvlederen. Elektronet kan nå lettere bevege seg omkring i halvlederen og kan gi opphav til en elektrisk strøm, som er det vi ønsker at solcellen skal ”levere”. Energimessig har elektronet beveget seg fra valensbåndet til ledningsbåndet, og det er gått over fra å være et bindingselektron til et ledningselektron. Som en følge av prosessen beskrevet over, etterlates det en tom elektrontilstand i valensbåndet. Andre valenselektroner kan nå forflytte seg til denne ledige posisjonen, slik at valenselektroner også bidrar til strømmen i solcellen. I stedet for å se på hvordan mengden av valenselektroner beveger seg, er det enklere å betrakte den tomme tilstanden til en tenkt partikkel som beveger seg i motsatt retning. Den tomme tilstanden kalles et hull og har en positiv ladning av samme størrelse som elektronets negative ladning.

Dersom solcellen ikke er koblet til noe (dvs den er i ”åpen krets”), vil det ikke sendes noen strøm ut av solcellen, men det vil være satt opp en spenningsforskjell mellom front- og baksideelektrode. Dersom solcellen kobles til en last (for eksempel en liten motor), så vil solcellen levere en endelig strøm og en endelig spenning, og dermed en endelig effekt. Effekten er produktet av spenning og strøm: P = U I. Maksimal effekt fåes når systemet er optimalisert slik at produktet av strøm og spenning levert av solcellen er maksimalt.

Halvledere Halvledere er materialer som har en ledningsevne som ligger mellom metaller og isolatorer. De brukes i solceller og som det aktive materialet i elektroniske komponenter. De elektroniske egenskapene til en halvleder er enkle å modifisere ved å til sette små mengder av andre grunnstoffer (såkalt doping). For bruk i solceller er det båndgapet til halvlederen som er den viktigste parameteren. Størrelsen på båndgapet angir et energiområde, rett over energinivåene til bindingselektronene (valenselektronene), hvor det ikke finnes tillatte energinivåer for elektroner. Over båndgapet kommer et nytt område med tillatte energinivåer. Energiområdet med energinivåene til valenselektronene kalles valensbåndet, og det med energinivåene til ledningselektronene kalles ledningsbåndet.

Solcellens effektivitet

Effektiviteten (η) til en solcelle er et mål på hvor effektivt solcellen omdanner energien i sollyset til elektrisk energi og er gitt ved

η = P_m/P_Sol = I_m · U_m /P_Sol

hvor P_Sol er effekten i sollyset og P_m den maksimale elektriske effekten solcellen produserer. P_m er igjen gitt som produktet av strømmen (I_m) og spenningen (U_m) solcellen leverer når den får mest mulig effekt ut av sollyset.

Solcelleeffektivitet og båndgap

Som nevnt må fotonenergien overstige båndgapet for at valenselektronene skal kunne bli til ledningselektroner. Enhver halvleder har én bestemt verdi på dette båndgapet. Dersom båndgapet er lite, vil selv fotoner med liten energi (infrarøde fotoner i solspektret) kunne bidra til å omdanne valenselektroner til ledningselektroner, og en får da mange ledningselektroner og hull og mye strøm fra solcellen.

Dessverre setter båndgapet en øvre grense for hvor stor spenning solcellen kan gi. Et materiale med et lite båndgap vil gi liten spenning, men mye strøm fra solcellen, mens et stort båndgap vil gi høy spenning og liten strøm. Vi må dermed gjøre et kompromiss mellom mye strøm og høy spenning fra solcellen. For å oppnå høyest effektivitet ønsker vi å bruke et materiale med et båndgap som maksimerer den totale effekten produsert av solcellen. For uforsterket sollys er det optimale båndgapet på ca 1,4 eV.

Effektivitet og prisen på solcellestrøm

Selv om bruk av solceller allerede i dag i mange tilfeller vil være et økonomisk godt alternativ selv uten subsidier, vil den høye strømprisen ved produksjon i solceller være et hinder for den fortsatt sterke veksten som må til, dersom solceller virkelig skal bidra til den globale produksjonen av elektrisitet. Det pågår derfor en betydelig innsats i både forskningsmiljøer og i industrien for å gjøre solcellestrøm til et stadig billigere alternativ.

Det er to faktorer som bestemmer prisen på strøm produsert av en solcelle. Den ene er kostnadene forbundet med å framstille og installere et ferdig energisystem basert på solceller. Her er blant annet produksjons- og materialkostnader svært viktige. Den andre faktoren er hvor mye elektrisk energi det totale solenergisystemet leverer. Dette er for en stor grad bestemt av hvor effektivt selve solcellen omdanner energien fra sollyset til elektrisk energi.

Effektiviteten til en solcelle er også med på å bestemme den såkalte  energitilbakebetalingstiden, det vil si tiden solcellepanelet må produsere strøm for å ”betale tilbake” all energi som er brukt under framstillingen av det ferdige solcellebaserte energisystemet.

De mest utbredte kommersielt tilgjengelige solcellene er i dag basert på silisium (Si). Disse har allerede en relativt høy effektivitet på mellom 14 % og 22 %, avhengig av hvilken teknologi som er basis for fremstillingen. Energitilbakebetalingstiden for hele energisystemer basert på slike solceller, har også falt dramatisk i forhold til tidligere år, og ligger i dag typisk på mellom 2 år og 4 år. Dette er en liten del av solcellepanelenes totale forventede levetid på 25 år eller mer.

Imidlertid er det mange som har øynet det åpenbare potensialet forbundet med å lage enda mer effektive solceller (høyere enn 22 %). I det følgende skal vi se nærmere på hva som begrenser effektiviteten til en solcelle. Deretter skal vi gå gjennom ulike tredje generasjon solcellekonsepter som, i hvert fall på tegnebrettet og i laboratoriet, er i stand til å nå dramatisk høyere verdier av effektivitet enn det som er mulig med de mest brukte teknologiene i dag. I denne terminologien refererer for øvrig begrepet første generasjon solceller til solceller laget av relativt tykke, krystallinske halvlederskiver (wafere), som i dagens solceller laget av Si. Andre generasjon solceller er framstilt med metoder som gir billige solceller, men oftest med langt lavere effektivitet enn første generasjon solceller. Til tross for lavere effektivitet kan strømprisen for andre generasjons solceller konkurrere med første generasjon, fordi produksjonskostnadene også kan være lavere. Eksempler på andre generasjon solceller er såkalte tynnfilmsolceller.

Dagens solcelleindustri

Den samlede produksjonskapasiteten av strøm fra solcellepanelene produsert i 2006 alene var på 2,6 GW_p (se faktaboks om W_p). Produksjonen på 2,6 GW_p representerte en økning på omlag 45 % fra året før og en videreføring av en svært sterk årlig vekstrate gjennom mer enn et tiår. Totalt har det hittil blitt installert solceller med en total produksjonskapasitet på godt over 5 GWp. Norge er representert i solcelleindustrien med profilerte selskaper som Renewable Energy Corporation (REC), Elkem Solar og NorSun.

Alle industrielt viktige solceller som lages i dag, baserer seg i hovedsak på å bruke ett enkelt materiale til å absorbere sollyset. I omlag 98 % av solcellene som ble produsert i 2006 var materialet en eller annen form av halvledermaterialet Si. Det meste av de resterende 2 % brukte andre sammensatte halvledermaterialer, hovedsakelig CdTe og ulike variasjoner av CIGS. Felles for de nevnte solcellene (dvs både første og andre generasjon solceller) er at de har en veldefinert øvre grense for oppnåelig effektivitet på omtrent 30 %. Denne grensen er bestemt av virkemåten til solcellen og er med på å sette klare grenser for mulig kostnadsreduksjon. Vi vil komme tilbake til opphavet for denne grensen nedenfor.

Tapsmekanismer

Hvor kommer så begrensningen av effektiviteten til en typisk solcelle fra? I solcellen beskrevet over vil enkelte fundamentale mekanismer gi uunngåelige tap. Disse er: i) lavenergetiske fotoner som går rett gjennom solcellen ii) termalisering av energetiske ladningsbærere og iii) rekombinering av ladningsbærere. De to førstnevnte gir de største begrensningene og er begge forårsaket av at solceller med bare ett båndgap ikke er i stand til å nyttiggjøre seg hele solspekteret på en effektiv måte. Disse to mekanismene forårsaker at mindre enn 50 % av energien i sollyset kan omdannes til elektrisk energi i solcellen. Vi vil nå beskrive de tre tapsmekanismene mer i detalj.

Sollyset som treffer jordens overflate, inneholder fotoner med et stort spenn i fotonenergi; fra ca 0,4 – 4 eV, mens solcellematerialer har typisk et båndgap på E_g = 1,0-1,5eV.) Fotoner med E_foton < E_g vil ikke absorberes, men fortsetter tvers igjennom og ut av solcellen, og bidrar derfor ikke til å lage strøm. For silisiumsolceller vil fotoner med energi mindre enn båndgapet på 1,1 eV ikke absorberes. Dette utgjør ca 20 % av tilgjengelig energi i sollyset.

Den andre viktige tapsmekanismen er forårsaket av at de fotonene i sollyset som kan absorberes, stort sett vil ha en fotonenergi som er større enn det som trengs (E_foton>E_g). Umiddelbart etter absorpsjonen av fotonene vil vi kunne finne ledningselektroner med høy kinetisk energi langt oppe i ledningsbåndet (og hull langt nede i valensbåndet). Overskuddsenergien til ledningselektronene og hullene tapes svært raskt. Dette kalles termalisering. Termalisering resulterer i et tap på ca 30 % av energien i sollyset. Den overskytende energien utover E_g vil resultere i oppvarming av solcellen.

Den tredje uunngåelige tapsmekanismen skyldes at ledningselektronene vil kunne falle tilbake til valensbåndet før de rekker å komme fram til kontaktene. Energien som frigis på denne måten, overføres enten til fotoner som stråles ut fra solcellen eller til ytterligere oppvarming. Disse prosessenene kalles rekombinering. De vil ikke gi så store tap som de to foregående prosessene i en ideell solcelle, men må alltid regnes med.

Det er flere måter å designe solceller på som vil unngå disse fundamentale begrensningene. Dette er de såkalte tredjegenerasjonssolcellene. Grunnprinsippene for og flere eksempler på slike vil bli gitt i det følgende.

Tredje generasjon solceller

Det er fire hovedretninger vi kan følge dersom vi ønsker å lage solceller som utnytter fotonenergiene i sollyset bedre. Disse er:

a) Å lage solceller som baserer seg på bruk av mer enn ett båndgap

b) Å redusere eller unngå effekten av termalisering

c) Å endre energifordelingen til fotonene i solspekteret før de absorberes av solcellen

d) Å lage solcellen av en halvleder med et så lite båndgap at flere ledningselektroner dannes ved hjelp av kollisjoner

De to førstnevnte innebærer helt nye oppbygningsmåter av solcellene, mens de to siste i prinsippet kan bruke variasjoner av dagens design på selve solcellen.

a) Flere båndgap

Den enkleste løsningen er å styre ulike deler av solspekteret mot ulike solceller som har hvert sitt båndgap, Eg. Hver solcelle i settet er optimalisert med hensyn til en begrenset del av solspekteret, noe som resulterer i en økt utnyttelse av den totale energien i sollyset. Figur 2 viser et eksempel på dette hvor optiske filtre sender ulike energiintervaller i sollyset mot solceller med ulike båndgap.

Figur 2: Prinsippskisse av en solcellestruktur som bruker optiske filtre til å dele opp sollyset i ulike energiintervaller og sender disse til solceller med ulike båndgap. Figur 3: Prinsippskisse av en tandemsolcelle hvor to solceller med forskjellig båndgap er koblet både optisk og elektrisk i serie.

Den vanligste måten å gjøre det på, er å stable solceller med forskjellige verdier av E_g oppå hverandre, som illustrert i figur 3. Det mest energetiske lyset fanges i den øverste solcellen. Fotoner med lavere energi går gjennom denne og fanges opp av en eller flere underliggende solceller. Jo flere solceller som settes sammen, desto bedre kan de utnytte sollyset. Slike solceller kalles tandemsolceller og er per dags dato den eneste typen tredje generasjons solcelle som har demonstrert høye verdier av effektiviteten. Belyst med standard sollys har verdier på 32 % blitt målt på en tandemsolcelle bestående av tre solceller koblet optisk og elektrisk i serie. Under mer intens belysning, noe som for eksempel kan oppnås gjennom bruk av linser og speil, har det nylig blitt rapportert målte verdier på over 40 %.

Solceller som er basert på bruk av avanserte materialer med flere energigap med ulike verdier av E_g, har også blitt lansert. Ved å bruke slike materialer slipper vi å lage mange solceller oppå hverandre og unngår problemer som oppstår på grunn av den elektriske sammenkoblingen av disse. Slike materialer er imidlertid mer kompliserte å framstille.

b) Redusert termalisering

En løsning er å bremse hastigheten til de prosessene som gir termalisering og deretter trekke ut ladningsbærere med høyere energi enn E_g gjennom egnede kontakter. Dette er i prinsippet mulig i avanserte materialer, for eksempel i ulike nanostrukturerte materialer. På denne måten kan den høye spenningen som er tilgjengelig i energetiske fotoner bevares uten at vi samtidig må øke E_g, noe som på sin side ville ha redusert tilgjengelig strøm.

c) Fotonenergikonvertering

Den tredje retningen, å omdanne fotonenergier før de treffer solcellen, kan realiseres på ulike måter. Den ene måten er å bruke materialer som omdanner høyenergetiske fotoner (E_foton > 2E_g) til mer enn ett foton med lavere energi, men som fortsatt har tilstrekkelig energi til å bli absorbert i solcellen. Denne prosessen kalles nedkonvertering og vil føre til at energetiske fotoner kan bidra til en større solcellestrøm enn den vi ellers ville ha oppnådd. Den andre måten er å bruke materialer som omdanner to eller flere fotoner med for lav energi (E_foton < E_g) til ett eller flere fotoner med tilstrekkelig energi til å bli absorbert i solcellen og dermed bidra til økt solcellestrøm, såkalt oppkonvertering. Solceller basert på oppkonvertering er kanskje ett av de konseptene som medfører minst krav til endringer og derfor lettest kan få innpass i konvensjonell teknologi for fremstilling av silisiumbaserte solceller.

Figur 4: Skjematisk fremstilling av en konvensjonell silisiumsolcelle som er modifisert for å kunne utnytte lavenergetiske fotoner gjennom innføringen av et egnet oppkonverterende materiale.

En siste måte å endre solspekteret på før det entrer solcellen, er å bygge solceller rundt legemer som absorberer sollyset, varmes opp og deretter sender ut varmestråling. Varmestrålingen fra dette legemet sendes så mot dertil egnede solceller. Alternativt kan vi bruke andre varmekilder, f.eks. en gassflamme. Slike solceller kalles termofotovoltaiske celler.

d) Kollisjonsgenerasjon

Den siste tredjegenerasjonsretningen er å lage solceller av en halvleder med et så lite båndgap at flere ledningselektroner dannes ved hjelp av kollisjoner. Etter absorpsjon av fotoner vil det i slike materialer først dannes svært energetiske ladningsbærere.

Disse kan raskt slå løs kaskader av nye ladningsbærere fra atomer i materialet ved ioniserende kollisjoner, noe som vil gi økt solcellestrøm.

Norsk innsats

Ved NTNU jobber man med å framstille materialer til bruk i solceller med flere båndgap. En måte å lage flere energigap på, er å bruke nanomaterialer satt sammen av to ulike halvledere. Materialene har nanometersmå partikler, kalt kvanteprikker, av halvlederen med minst båndgap av de to, og egenskapene til materialene bestemmes til dels av kvantiseringseffekter som oppstår på grunn av størrelsen på kvanteprikkene. Institutt for Energiteknikk (IFE) har nylig fått innvilget midler til å starte opp et større forskningsprosjekt knyttet til silisiumbaserte, tredje generasjon solceller. Her vil flere av løsningene, inklusive tandemsolceller bygget opp av en silisiumbasert solcelle og en eller flere tynnfilmsolceller og energikonvertering, både gjennom kvanteprikker og andre avanserte materialer, bli studert i detalj. Ved Universitetet i Oslo er det også en aktivitet knyttet til solceller som utnytter energikonvertering, og ved NTNU jobber man også med oppkonverteringsmaterialer.

Hva vil fremtiden bringe?

Som det framkommer av teksten over, har det blitt foreslått en rekke kreative løsninger som i teorien skal kunne overstige grensen for oppnåelig virkningsgrad fra en solcelle. Flere av disse har et teoretisk potensial for å øke virkningsgraden nært opp mot en termodynamisk virkningsgradsgrense på hele 93 %. Dersom solceller med betraktelig høyere virkningsgrader enn de vi i dag produserer kan realiseres uten for store kostnader, kan dette få enorme konsekvenser for prisen for solcellestrøm og solcellers konkurransedyktighet, så vel som for strømprisen forøvrig. Det er derfor stor internasjonal interesse rundt tredjegenerasjons solceller.

Til tross for at rekorden i virkningsgrad fra en solcelle holdes av en tandemsolcelle er det allikevel per dags dato ingen tredje generasjons solcelle som konkurrerer på strømpris med de beste av de etablerte solcelleteknologiene. For de øvrige solcelleløsningene synes veien fram mot industriell realisering av kostnadseffektive solceller med høye virkningsgrader fortsatt lang. Det er dermed rikelig plass for mange gode ideer og mye god forskning på dette svært viktige feltet godt inn i fremtiden.