Hjem > Viden > Indhold

Solceller: Solar Elektricitet og solceller i teori og praksis

Aug 28, 2015

Ordet   Photovoltaic   er en kombination af det græske ord for Lys og navnet på fysikeren Allesandro Volta. Den identificerer den direkte omdannelse af sollys til energi ved hjælp af solceller. Konverteringsprocessen er baseret på den fotoelektriske effekt opdaget af Alexander Bequerel i 1839. fotoelektriske effekt beskriver frigivelsen af positive og negative ladningsbærere i en fast tilstand, når lys rammer dens overflade.

Hvordan virker en solcelle arbejde?

Solcellerne sammensat af forskellige halvledende materialer. Halvledere er materialer, som bliver elektrisk ledende, når de leveres med lys eller varme, men som fungerer som isolatorer ved lave temperaturer.

Over 95% af alle de solceller produceres verden over er sammensat af halvledermaterialet Silicium (Si). Som det andet mest udbredte grundstof i earth`s skorpe, silicium har den fordel, at være tilgængelige i tilstrækkelige mængder, og endvidere behandle materialet ikke belaster miljøet. Til frembringelse af en solcelle, er halvlederen forurenet eller "doterede". "Doping" er tilsigtet introduktion af kemiske elementer, som man kan få et overskud af enten positive ladningsbærere (p-ledende halvlederlag) eller negative ladningsbærere (n-ledende halvlederlag) fra halvledermateriale. Hvis to forskelligt forurenede halvleder lag kombineres, så en såkaldt pn-junction resultater på grænsen af lagene.

  • model af en krystallinsk solcelle

På dette kryds, er en indre elektrisk felt opbygget som fører til adskillelse af de ladningsbærere, der er udgivet af lys. Gennem metalkontakterne, kan en elektrisk ladning blive aflyttet. Hvis det ydre kredsløb er lukket, hvilket betyder en forbruger er tilsluttet, derefter direkte løber strømmen.

Silicium celler er ca. 10 cm gange 10 cm store (seneste også 15 cm x 15 cm). En gennemsigtig antireflekterende film beskytter cellen og nedsætter reflekterende tab på celleoverfladen.

Karakteristik af en solcelle

  • strømspændingskarakteristik linje i en si-solcelle

Den anvendelige spænding fra solceller afhænger af halvledermateriale. I silicium det beløber sig til ca. 0,5 V. Terminal spænding er kun svagt afhængige af lysstråling, mens den aktuelle intensitet stiger med højere lysstyrke. En 100 cm silicium celle, for eksempel, når en maksimal strømstyrke på ca. 2 A, når udstråles af 1000 W / m.

Udgangen (produkt fra elektricitet og spænding) af en solcelle er temperaturafhængig. Højere celletemperaturer føre til lavere produktion og dermed til lavere effektivitet. Det niveau af effektivitet angiver, hvor meget af den udstrålede lysmængde omdannes til anvendelig elektrisk energi.

Forskellige celletyper

Der kan skelnes tre celletyper efter typen af krystal: monokrystallinske, polykrystallinske og amorfe. Til fremstilling af et monokrystallinsk silicium celle, er nødvendig absolut rent halvledende materiale. Monokrystallinske stænger ekstraheres fra smeltet silicium og derefter saves ud i tynde plader. Denne fremstillingsproces garanterer en relativt høj grad af effektivitet.  
Produktionen af polykrystallinske celler er mere omkostningseffektiv. Ved denne fremgangsmåde er flydende silicium hældes i blokke, der efterfølgende saves til plader. Under størkning af materialet, der krystalstrukturer af varierende størrelser er dannet, ved hvis grænser defekter opstår. Som et resultat af denne krystal defekt, solcellen er mindre effektiv.  
Hvis en silicium film afsættes på glas eller et andet substrat materiale, dette er en såkaldt amorft eller tyndt lag celle. Lagtykkelsen udgør mindre end 1 um (tykkelsen af et menneskehår: 50-100 um), så produktionsomkostningerne er lavere som følge af de lave materialeomkostninger. Imidlertid er effektiviteten af amorfe celler er meget lavere end for de to andre celletyper. På grund af dette, er de primært i laveffektsudstyr (ure, lommeregnere) eller som facadeelementer.

Materiale

Niveau af effektivitet i% Lab

Niveau af effektivitet i% Produktion

énkrystalsilicium

ca. 24

14 til 17

polykrystallinsk silicium

ca. 18

13 til 15

amorf silicium

ca. 13

5 to7

Fra cellen til modul

For at foretage de nødvendige spændinger og udgange til rådighed for forskellige applikationer, enlige solceller er forbundet med hinanden til at danne større enheder. Serieforbundne celler har en højere spænding, mens dem forbundet parallelt producere mere elektrisk strøm. De indbyrdes forbundne solceller sædvanligvis indlejret i transparent Ethyl-Vinyl-acetat, udstyret med en aluminium eller rustfrit stål stel og dækket med transparent glas på forsiden.

De typiske effekter af sådanne solcellemoduler er mellem 10 Wpeak og 100 Wpeak. De karakteristiske data refererer til standard testbetingelser på 1000 W / m solstråling ved en celletemperatur på 25 ° Celsius. Producentens standard garanti på ti år eller mere er ganske lang og viser standarder og livet af høj kvalitet, forventede af nutidens produkter.

Naturlige Grænser for Efficiency

  • Teoretiske maksimale niveauer for effektiviteten af forskellige solceller ved standardbetingelser

Ud over at optimere produktionsprocesserne, arbejdes der også bliver gjort for at øge niveauet af effektivitet, for at sænke omkostningerne til solceller. Dog er forskellige tabsmekanismer sætte grænser for disse planer. Grundlæggende er forskellige halvledermaterialer eller kombinationer egner kun til bestemte spektrale områder. Derfor ikke kan bruges en bestemt del af den strålingsenergi, fordi lyset kvanter (fotoner) ikke har nok energi til at "aktivere" de ladningsbærere. På den anden side er en vis mængde overskydende fotonenergi omdannet til varme i stedet for til elektrisk energi. Ud over det, der er optiske tab, såsom skyggedannelse af celleoverfladen via kontakt med glasoverfladen eller refleksion af indkommende stråler på celleoverfladen. Andre tabsmekanismer er elektriske modstand tab i halvleder- og tilslutningskablet. Den forstyrre indflydelse materialeforurening overfladevirkninger og krystaldefekter er imidlertid også vigtig.  
Enkelt tabsmekanismer (fotoner med for lidt energi absorberes ikke, overskydende foton energi omdannes til varme) kan ikke blive yderligere forbedret på grund af iboende fysiske begrænsninger, som selve materialerne. Dette fører til et teoretisk maksimum niveau af effektivitet, dvs. ca. 28% for krystal silicium.

New Directions

Strukturering af overfladen for at reducere tab refleksion: f.eks konstruktion af celleoverfladen i en pyramide struktur, således at indkommende lys rammer overfladen flere gange. Nyt materiale: f.eks galliumarsenid (GaAs), cadmium (CdTe) eller kobber indium selenid (CuInSe²).

Tandem eller stablede celler: For at kunne anvende et bredt spektrum af stråling, forskellige halvledermaterialer, som er egnede til forskellige spektralområder, vil blive anbragt oven på den anden.

Koncentrator celler:   En højere lysintensitet vil fokusere på solcellerne ved anvendelse af spejl og linsesystemer. Dette system sporer solen, altid bruge direkte stråling.

MIS inversionslaget celler:   den indre elektriske felt ikke produceres af en pn-overgang, men ved krydset af et tyndt oxidlag på en halvleder.

Grätzel celler:   Elektrokemiske flydende celler med titandioxid som elektrolytter og farvestof for at forbedre lysabsorption.

Tekst og illustrationer anvendes med tilladelse fra det tyske Institut til Solar Energy (Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie eV)

Concise og forståelige forklaringer af de grundlæggende begreber i solvarme og solceller kan findes i vores Solar-Lexicon.

Rapporter om teknologi, forretning og politik, samt oplæg om innovative systemer og produkter kan findes i Solar Magazine