Redan 1839 gjorde den franska fysikern Alexandre Edmond Becquerel den sensationella upptäckten: När ljus (foto) faller på vissa ämnen uppstår spänning (voltaisk). Men hur fungerar det med solceller? Vi förklarar hur de fungerar.
Efter upptäckten tog det 120 år för solceller att fungera som en energikälla för de första satelliterna och rymdfarkosten. Under tiden har solcellen blivit en populär elleverantör för energibesparare
Detta är vad solcellen består av
Endast vissa material kan omvandla ljus till elektricitet, ett av dem är kisel. Mer än 90 procent av alla solceller är tillverkade av kisel. Dess fördel: Råvaran kvartssand finns i tillräckliga mängder på jorden och kisel är miljövänligt.
Ljus lossar elektroner i gränsskiktet (grönt) som strömmar ut igen via glödlampan.
En kristallin solcell består vanligtvis av två lager kisel - tillsammans två till tre tiondelar av en millimeter tjock.
På solsidan blandas kislet medvetet med fosforatomer. För att uttrycka det enkelt har fosforatomer en negativ elektron för många (dvs. negativa). Boratomer sitter på andra sidan av cellen - de har en elektron för få (dvs. positiva). De negativa och positiva skikten berör varandra.
El strömmar från solcellen via laddningsregulatorer och växelriktare till batteriet eller elnätet.
Med ljus till strömmen av el
När ljus träffar cellen sätts elektroner i rörelse. När de väl kommer igång hoppar de över gränsen från det negativa till det positiva lagret, där det saknas elektroner - andra rör sig uppåt. Elektronerna migrerar tillbaka till sitt gamla lager på cellens undersida via ett metallgaller (kontaktfinger), kabel och bärplatta (kontakt). När kretsen är stängd flödar elektrisk ström. Ju mer ljusstrålar träffar elektronerna, desto mer el produceras. Om bestrålningen förblir densamma beror effektförstärkningen enbart på ytan. Ju större yta, desto högre strömstyrka. Om solen skiner starkare producerar solcellen mer elektricitet. Detta är likström eftersom det också lagras i batterier. Solceller kan dock inte lagra elektricitetde levererar det.
Solmodulen
Solceller kan inte arbeta utomhus utan skydd. De måste vara under skydd: modulen.
Flera solceller är sammankopplade för att bilda en enhet i modulen. Kristallina celler strängs ihop och kopplas till varandra. Trådarna packas i plastfilm och placeras mellan två glasplattor. Tunnfilmstekniken producerar en stor cell när glasplattan förångas. En laser skär dem i remsor som är sammankopplade.
En strömförsörjningsenhet, även kallad växelriktare, omvandlar likströmmen som genereras av modulerna till växelström (230 volt växelström). All el som genereras matas in i det allmänna nätet. Detta ersätts i enlighet med ”Lagen om förnybara energikällor” (EEG).
Två typer: kristallina och amorfa solceller
Det finns två typer av solceller: kristallina och amorfa. Kristallina celler står för cirka 80 procent av den globala produktionen.
Monokristallina solceller: Utgångsmaterialet är dyrt ultrarent kisel, som extraheras från en kiselsmält i en tidskrävande och kostsam process, pressas i stänger och skärs i skivor upp till 12 centimeter i diameter. I monokristallen är alla atomer inriktade på samma sätt. De blå till svarta cellerna, som också kan färgas olika på begäran, utnyttjar solens strålar i laboratoriet med upp till 24 procent; i praktiken dock bara upp till 16 procent.
Multikristallina solceller: Industriellt producerat polysilikon är billigare än produktionen av monokristaller. I praktiken är de blåaktiga cellernas effektivitet 11 till 14 procent.
Kristallina celler tappar knappast sin effektivitet även under årtionden.
Amorfa solceller
De billigare amorfa cellerna är lämpliga för vattenfunktionerna i trädgården eller hushållsvågarna i huset, liksom för stora fasader. Om utrymmet för ett stort solcellssystem är begränsat fungerar de kristallina cellerna mer effektivt.
Så här byggs amorfa celler: Det elproducerande skiktet förångas på en glasplatta. Atomerna lagras inte längre i en kristallstruktur utan på ett orört (amorft) sätt. Denna process kräver relativt lite kisel: det sänker priset. Jämfört med de 0,2 till 0,3 millimeter tjocka kristallina cellerna mäter tunnfilmscellerna bara 0,01 till 0,05 millimeter. Cellerna är bruna eller antracit och har en verkningsgrad på sex till sju procent. På dystra dagar lever amorfa celler mer elektricitet än andra.
Effektiviteten hos amorfa celler minskar med åren: efter 20 år är det cirka 70 procent av den ursprungliga produktionen.
Moderna solmoduler kan också installeras diskret på uteplatstaket eller carporten.
ny teknik
Två nyare tunnfilmsceller fungerar utan kisel: material tillverkat av kopparindiumdiselenid (CID) och från kadmiumtellurid (CdTe). De nya cellerna används för närvarande i pilotanläggningar. Framtidens teknik är en ny tunnfilmsprocess där ett kristallint kiselskikt appliceras på ett bärarmaterial. Detta kombinerar den höga effektiviteten hos kristallina celler med den låga materialförbrukningen av tunnfilmsceller.
Finns det några gränser för prestanda?
Som förklarats ovan uppnår monokristallina moduler de högsta effektivitetsnivåerna följt av polykristallina solmoduler. Fördelarna med de monokristallina modulerna uppvägs emellertid av de höga energiförbrukningen och kostnaderna för att odla kiselkristallerna. En nyare utveckling kan ha stor potential här: de kvasi-monokristallina modulerna. Dessa är polykristallina moduler som, tack vare ett speciellt kontrollsystem, har liknande egenskaper som monokristallina moduler under kristalltillväxt.
Effekten av ett ämne kan inte vidareutvecklas efter behag och har naturliga gränser - eftersom materialet endast kan bearbeta vissa våglängder av ljus. Med monokristallina kiselmoduler är högsta möjliga effektivitetsgrad cirka 29 till 33 procent - i teorin.
Har detta nått slutet på flaggstången? Nej, för ny teknik skapar också nya möjligheter. Så kallade tandemsolceller kan till exempel öka effektiviteten med en enkel princip: Om du staplar olika material för olika delar av ljusspektret ovanpå varandra ökar också effektiviteten. Mer än 40 procent har redan uppnåtts och mer än 80 procent är tänkbart för framtiden.
Den naturliga effektiviteten förfinas också ytterligare. Japanska forskare tillkännagav ett nytt effektivitetsrekord för kiselsolceller på 26,3 procent i början av 2017. Det är inte långt från den materialspecifika gränsen. Följande gäller dock här: En högre effektivitet gör solenergi bara billigare om produktionskostnaderna inte stiger i samma utsträckning.