Solceller – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

10. juli 2010

Solceller

Hej Spørg om Fysik
Jeg forstår ikke hvorfor flere solceller i en serie giver samme strømstyrke som en solcelle. Bliver der ikke sendt nye ladninger afsted i hver solcelle når lyset rammer cellen?

På forhånd tak
K

 

Det er et godt spørgsmål, du her stiller, og for at forstå svaret er det nødvendigt at forstå princippet i en solcelle. Her er et forsøg på et svar. Der er blevet brug for et par figurer, som du ser. 

Figur 1

De mest effektive solceller er opbygget af såkaldte p-n kontakter af Silicium. Et stykke p-doteret Silicium bringes i kontakt med et stykke n-doteret Silicium. Med p-doteret mener man, at nogle af Sicilicium-atomerne er erstattet med fx Gallium, som har en elektron færre end Silicium. Gallium-atomerne indfanger en elektron og bliver derved negativt ladet. Den manglende elektron i Silicium kaldes et 'hul', er positivt ladet, og kan bevæge sig frit omkring i krystallen. 'p'-et står for 'positiv' og refererer til de positivt ladede huller. Omvendt er et n-doteret materiale et, hvor få af Silicium-atomerne er erstattet af fx Arsen-atomer, som har en elektron flere end Silicium.

Disse ekstra elektroner kan forlade Arsen-atomerne, som derved blive positivt ladede. De ekstra elektroner kan bevæge sig frit omkring i krystallen og er som sådan negativt ('n') ladede såkaldte ladningsbærere.

Når de to stykker doterede Silicium bringes sammen løber nogle af de negative elektroner i n-området ind i p-området og fylder hullerne. Herved bliver kontakten ligsom en opladet kapacitor med en positivt ladet plade på n-siden (husk de positivt ladede Arsen atomer) og en negativt ladet plade på p-siden ( (a) i figuren). 

En sådan p-n kontakt virker som en ensretter. Hvis man sætter en positiv spænding på p-siden ((b) i figuren) , så vil man aflade kapacitoren en smule, og de frit bevægelige ladninger kan bevæge sig gennem kontakten og lave en strøm, mens en negativ spænding på p-siden ((c) i figuren) vil oplade kapacitoren yderligere, og det bliver meget svært for ladninger at bevæge sig igennem kontakten.

Nu til solcellen

Belyser man kontakten, vil nogle af lysets fotoner kunne danne et såkaldt elektron-hul par i området mellem kapacitor-pladerne. Den negative elektron vil blive tiltrukket af den positiv plade og det positive hul vil blive tiltrukket af den negative plade. Herved opstår der en lille strøm-puls, som kan ledes igennem et elektrisk kredsløb, som er tilsluttet p-n kontakten. Nu er vi omsider klar til at besvare det stillede spørgsmål. Hvad sker der, hvis to sådanne kontakter sættes i serie?

Figur 2

Antag først, at der kun er lys på den ene af kontakterne (figur 2). Lyset vil danne elektron-hul par, og elek-tronerne vil løbe til højre ind i området mellem de to kontakter. Herved bliver dette område negativt ladet, hvilket svarer til at kontakt nummer 2 (den uden lys) får en negativ spænding på p-siden, og det bliver umuligt for ladningerne at komme igennem kontakt nummer 2. Samlet set løber der derfor ingen strøm igennem de to kontakter i serie. Hvis derimod begge kontakter bliver belyst, vil der i området mellem kontakterne kommer en negativ ladning fra den venstre kontakt og en positiv ladning fra den højre kontakt. Disse to ladninger opløser hinanden, og nettoresultatet bliver, at der er dannet en positiv ladning til højre for den venstre kontakt, og en negativ ladning til venstre for den højre kontakt. Alt i alt samme situation som for situationen med kun en p-n kontakt. Tænker man efter, viser det sig dog, at spændingsfaldet henover de to belyste kontakter er dobbelt så stort, som det der opstår henover en enkelt belyst kontakt. For to ens belyste solceller i serie er strømmen altså den samme som for en enkelt belyst solcelle, men spændingen er dobbelt så stor. Effekten (energi pr sekund), som solcellen giver, er givet ved produktet af strøm og spænding (P = V*I, P betyder effekt, I strøm og V spænding), og den fordobles altså for celler i serie.

Sætter man i stedet cellerne i parallel, bliver det samme spænding der driver strømmen indtil nær kortslutning, og man kan få en strøm pr. celle, som er den hver enkelt celle ville give, hvis den var alene i kredsen, altså en langt større strøm tilsammen. Ved både at bruge celler i serie og parallel samtidigt, kan man får både den strøm man ønsker, og den spænding, hvis der er passende ens belysning på cellerne.

De fleste købbare solceller omdanner ca. 10 % af lyset til elektrisk energi, de bedste man kan lave i dag op til knap 40 %. Den enkelte celle giver fra ca. 0,4 til 0,8 V, strømmen afhænger af størrelsen af cellen, den kan være op til 5 A eller mere for celler, som er i størrelsesorden 10 * 10 cm2. Spændingen fra en celle er i reglen for lidt til de fleste anvendelser, så cellerne er næsten altid koblet flere i serie til f.eks. 1,5 V, 5 V, 18 V osv. Ønskes større strømme kan disse serieforbindelser kobles i parallel. Man kan i dag lave mange typer, de kan ogå laves bøjelige. Det afgørende er belysningen herunder bølgelængden af belysningen, Temperaturen af solcellen kan påvirke dens effektivitet.

Alexandre-Edmond Becquerel opdagede den fotoelektriske effekt.

En solcelle vil i dag mindst holde ca. 5 år, man kan holde mange gange mere. Det interessante er ofte effekten, mætningen ligger i dag omkring 600 til 1000 W pr. kvadratmeter (med optimal belysning og temperatur).

Den fotoelektriske effekt blev opdaget i 1839 af fysikeren Alexandre-Edmond Becquerel (F, 1820 - 1891). En brugbar udgave blev opfundet af Charles Fritts (US, 1850 - 1903) som i 1883 opfandt fotoselencellen. Det må anses som et stort teknisk gennembrud (men kun ca. 1% effektiv).

Den moderne solcelle med p og n halvledere blev patenteret i 1946 af Russell Shoemaker Ohl (US, 1898 - 1987), og det er bl.a. hans ideer, som er indeholdt i mange af de solgte celler. I dag konstrueres også celler af andre typer herunder med organiske stoffer indgående i cellerne.

Med venlig hilsen
Per Hedegård, professor
Malte Olsen