Populärvetenskaplig presentation

Det är inte alltid så enkelt att förklara vad en solcell är, hur den fungerar och hur den tillverkas. Här har vi gjort en populärvetenskaplig presenation där vi förklarar mer.

Solcellens historia

Solcellens historia börjar redan på 1800-talet då mekanismen bakom solceller, att ljus kan ge upphov till en spänning, upptäcktes. Sedan dess har ett spektrum av material och tekniker för att utvinna energi ur solljuset utvecklats och solceller kan användas i många olika typer av system. På senare tid har solenergin kommit att få allt mer uppmärksamhet då det erbjuder ett förnybart sätt att generera elektricitet.

Betydelsen av halvledare

I alla solceller behövs ett skikt som absorberar solljuset, där man ofta använder halvledare. Halvledare definieras av att deras elektroner precis fyller ett valensband där de inte leder ström, men att elektronerna kan exciteras till ett ledningsband där de kan röra sig fritt. För att excitera elektronerna krävs ett energitillskott som i en solcell kommer från fotoner i solljuset. Då en elektron har exciterats måste den separeras från det hål de lämnat efter sig, och därför består absorbatorskiktet av två material – en halvledare som dopats med ett underskott av elektroner, p-dopats, och en halvledare som dopats med ett överskott av elektroner, n-dopats. Då dessa förenas skapas en så kallad pn-övergång mellan halvledarna där skillnaden i mängden elektroner utjämnas och ger upphov till ett elektriskt fält. Energinivåerna för valensbandet (Ev) och ledningsbandet (Ec) ser då ut som på bilden här. Energiskillnaden mellan dem är en inneboende materialegenskap och kallas för bandgapet (Eg).

När nu en foton exciterar en elektron nära det elektriska fältet kommer elektronen att flyttas av fältet och separeras från hålet, och därmed ge upphov till en spänning. Här kan både elektronen och hålet ses som partiklar som leder strömmen och båda kallas för laddningsbärare. För hålen sker detta i verkligheten genom att olika elektroner fyller i hålet bredvid och lämnar ett nytt hål efter sig, men det är mer praktiskt att se hålen som egna partiklar. På vardera sida om absorbatorskiktet finns då kontakter som leder laddningsbärarna till och från det absorberande materialet, och om dessa kopplas till en krets kommer de att leda en elektrisk ström. På så vis har en likström bildats från de exciterade elektronerna. För att det absorberande lagret ska kunna nås av ljuset måste kontakten på framsidan av solcellen vara genomskinlig, och detta kallas därför fönsterlagret.

När nu en foton exciterar en elektron nära det elektriska fältet kommer elektronen att flyttas av fältet och separeras från hålet, och därmed ge upphov till en spänning. Här kan både elektronen och hålet ses som partiklar som leder strömmen och båda kallas för laddningsbärare. För hålen sker detta i verkligheten genom att olika elektroner fyller i hålet bredvid och lämnar ett nytt hål efter sig, men det är mer praktiskt att se hålen som egna partiklar. På vardera sida om absorbatorskiktet finns då kontakter som leder laddningsbärarna till och från det absorberande materialet, och om dessa kopplas till en krets kommer de att leda en elektrisk ström. På så vis har en likström bildats från de exciterade elektronerna. För att det absorberande lagret ska kunna nås av ljuset måste kontakten på framsidan av solcellen vara genomskinlig, och detta kallas därför fönsterlagret.

För att solcellen ska ha så hög verkningsgrad som möjligt vill man minska alla dess förluster, och för att undersöka dess prestanda kan man på olika sätt karakterisera den. Ett exempel på detta är IV-kurvan som relaterar strömmen genom solcellen till spänningen över den. I denna kurva är det lätt att ta reda på några viktiga parametrar för solcellen, vilket syns på bilden nedan. En av dessa är kortslutningsströmmen (Isc) som helt enkelt fås då solcellen kortsluts och har noll spänning. På motsvarande sätt finns öppenspänningen (Voc) som ett mått på spänningen då kretsen är öppen och ingen ström går från solcellen. För att få den maximala effekten (Pmp) som solcellen kan producera används något som kallas Fill Factor (FF) som är ett mått på hur nära IV-kurvan är att vara fyrkantig. Parametrarna ovan relaterar till varandra enligt Pmp=Voc*Isc*FF, och den totala verkningsgraden kan beräknas som kvoten mellan Pmp och den effekt som tillförts solcellen i form av solljus.

Trots att man har en väldigt bra solcell finns en maximal teoretisk verkningsgrad på ungefär 33 % som man inte kan överstiga. Den största begränsningen för denna beror på att solljusets spektrum är relativt brett och solcellen är mest effektiv för fotoner som har samma eller något högre energi än materialets bandgap. Förlusterna i solcellen kan generellt delas upp i fyra delar: genereringsförluster, termiska förluster, rekombinationsförluster och resistiva förluster. Genereringsförluster beskriver förluster i att generera elektron-hål-par från det infallande ljuset. Dessa uppstår till exempel på grund av att ljuset reflekteras eller att det absorberas redan i fönsterlagret, vilket kallas parasitisk absorption. Fotoner i ljuset som har lägre energi än bandgapet kan inte heller absorberas och ses därför som en förlust. Termiska förluster beror på att fotoner med högre energi än bandgapet ändå bara kan användas för att excitera en elektron, och överskottsenergin frigörs då som termisk energi. Rekombination innebär att elektronerna deexciteras till ett hål och frigör sin energi, och därför inte längre är en fri laddningsbärare som kan bidra till elektriciteten. Denna typ av förlust är vanlig till exempel i gränsytor och vid defekter i materialet då det kan erbjuda mellansteg för elektronerna att falla ner. Resistiva förluster utgörs av serieresistans och shuntkonduktans. Serieresistansen beror på resistans i materialet som strömmen passerar och shuntkonduktansen uppstår då defekter ger en kortslutning inom materialet så att strömmen inte passerar genom solcellen.

I tunnfilmssolceller används material som är väldigt effektiva för att absorbera ljus. Detta beror på att de har ett direkt bandgap, vilket innebär att elektronerna kan exciteras bara med hjälp av ljusabsorption. Till exempel kisel har ett indirekt bandgap då fotonen måste fångas samtidigt som elektronen interagerar med kristallen för att ändra sitt tillstånd (moment), och absorptionen sker därför inte lika enkelt. Därför kan materialen i tunnfilmssolceller göras mycket tunnare än de konventionella solcellerna av kisel. Eftersom de är så tunna kan de dock inte bära sin egen vikt utan beläggs som filmer på ett substrat, till exempel glas, stål eller plast, men det kan också vara en fördel eftersom de då kan göras böjliga.

På Uppsala Universitet sker forskning på materialen CIGS, som står för Cu(In,Ga)Se2, och CZTS, som står för Cu2ZnSn(S,Se)4, som båda används till tunnfilmssolceller. För CIGS-solcellerna sker tillverkningen genom att först deponera en bakkontakt av molybden (Mo), som är den som verkar som pluskontakt om man jämför solcellen med ett batteri. På bakkontakten beläggs absorbatorskiktet av CIGS där solljuset absorberas. Därefter lägger man buffertskikt som ska passivera ytorna och förbättra de optiska och elektroniska egenskaperna mellan absorbatorn och framkontakten. Detta utgörs oftast av kadmiumsulfid (CdS). Solcellen avslutas av en framkontakt (minuskontakt) av odopad och till sist aluminiumdopad zinkoxid (i-ZnO respektive ZnO:Al). För CZTS-solceller är det CZTS som utgör absorbatorskiktet istället för CIGS, och det kan vara fördelaktigt att använda andra material som buffertskikt.

För att solcellerna ska bli så effektiva som möjligt måste materialet vara mycket rent och får inte förorenas med andra ämnen som kan minska absorptionen eller elproduktionen. Därför sker utvecklingen av solcellerna i ett renrum där antalet partiklar i luften minimeras. I renrummet används många olika maskiner för att tillverka och karakterisera solcellerna, och för att belägga solcellernas skikt finns flera metoder. Med samförångning hettas ämnena som ska deponeras upp i en vakuumkammare och kondenserar på ett substrat i kammaren, som på bilden till vänster. Med sputtring beskjuts istället ett prov med ämnena som ska deponeras med icke-reaktiva joner i en gas så att ämnena frigörs och deponeras på substratet, som på bilden till höger. Det finns också utrustning för att karakterisera materialen som skapats, till exempel olika slags spektroskopi och mikroskop.

Forskningen syftar framför allt till att förbättra verkningsgraden för tunnfilmssolcellerna. Detta görs genom att på olika sätt utveckla materialet, till exempel att kombinera olika material och att undersöka processer som styr materialets egenskaper. Med en högre verkningsgrad kan så mycket som möjligt av solljuset omvandlas till elektricitet som vi kan använda i vårt energisystem.