Solpaneler omvandlar ljus till elektrisk energi. Solpaneler används ...

SOLPANELER
Sol
Solpaneler omvandlar
ljus till elektrisk energi.
Solpaneler används
därför när man inte kan
använda batterier men
har tillgång till solljus.
Satelliter är ett utmärkt
exempel på detta.
Amerikas andra satellit,
som sändes upp 1958,
var den första som var
utrustad med solceller.

SOLPANELER
En av de första kommunikationssatelliterna var
Telstar, Här behövdes det betydligt fler solpaneler.

SOLPANELER
Idag har små nanosatelliter alla ytor täckta med
solceller

Den Internationella
Rymdstationen ISS
har naturligtvis
betydligt större
strömbehov, och
därför större
paneler.
SOLPANELER

SOLPANELER
Det krävs en hel del solpaneler till ISS ….

SOLPANELER
En solcell är alltså en tunn platta av dopat
halvledarmaterial som omvandlar ljus till el.
Typiskt material är kisel som har en
verkningsgrad på 15 – 20%. Detta betyder att ett
kvadratdecimeter stor platta ger 1,5 VA. Med en
spänning på 0,5 V betyder detta alltså 3 A.
Solceller kopplas sedan ihop
parallellt och seriellt för att få
rätt spänning och tillräcklig
ström.

SOLPANELER
I halvledarmaterial finns två band i vilka
elektronerna kan befinna sig. Dom kan alltså
inte röra sig fritt som i en ledare (metall) men
dom är inte heller ”fast” som i en isolator. När
energin hos fotonen, E = hν, ”knuffas”
elektronerna upp i det högre energibandet.
Den energi dom fått motsvarar en elektrisk
spänning; antalet beror naturligtvis på hur
många fotoner som träffar cellen.

SOLPANELER
Solcellens elektriska fält skapas med sk dopade halvledare; en negativ och
en positiv sida med en skarp gräns mellan dessa. Dopas halvledaren med
ett ämne som har en valenselektron mer bildas en negativ halvledare, n-typ,
med en extra elektron som lätt kan förflyttas. Motsatta förhållanden gäller för
att den positiva halvledaren, p-typ. De båda halvledartyperna kopplas ihop
så att en np-övergång bildas mellan skikten. Attraktionskrafterna mellan de
positiva hålen och de negativa elektronerna tenderar föra dessa förbi npövergången
och därigenom skapa ett elektriskt fält. Fältet, som beroende på
dragningskrafter mellan överflödiga laddningsbärare snabbt når ett
jämviktsläge, blir en permanent faktor i cellen och underlättar laddade
partiklars passage vid np-övergången.
I o

SOLPANELER
Energibarriären som elektronerna i halvledarmaterialen måste övervinna
benämns inom solcellsforskningen bandgap, och anges i elektronvolt, eV.
Varje specifik halvledare lämpar sig bäst för att ta emot och omvandla ljus
med våglängder i och strax under den storleksordning som motsvarar
bandgapet. En solcell med bandgapet 1,4 eV absorberar infrarött ljus nära
det synliga området (900 nm) bäst, medan det behövs bandgap på 4 eV för
att effektivast tillgodogöra sig den ultravioletta solstrålningen.
I o

SOLPANELER
I o

SOLPANELER
Är tröskelenergin hög kan endast de med
energier större än denna bidraga. För det
solljus som infaller mot jordyran gäller att
tröskel ligger vid
λ = 1 150 mn
vilket betyder en effektivitet på
η = 45%
I o

SOLPANELER
När det gäller solceller, liksom så många andra
elektriska komponenter, är spänning-ström
kurvan av stort intresse (U-I-karakteristik). Det
gäller att U = U o – R i I tills alla elektroner i
solcellen drivits ut i yttre kretsen
(belastningen)

SOLPANELER

En karakteristika
för solcellen ser
alltså ut såhär,
vid en given
belysning. Ökar vi
ljusflödet så
ändras I men inte
U 0
Spänning
U o
SOLPANELER
I o
Ström

SOLPANELER
Den maximala spänningen, U 0 , beror alltså på hela
panelens konstruktion. Från en enskild solcell är
den alltid c:a 0,55 V (för kisel).
Den optimala
belastningen är
Uppenbarligen
beroende av
instrålningen. Vi
kan som riktlinje
välja
Spänning
U o
R opt
R opt = U 0 /I 0
I o
Ström

SOLPANELER
Observera alltså att denna belastning varierar med
belysningen. Typiskt har vi att vid full solbelysning
får vi 1000 W/m 2 . Solcellen är alltså inte som ett
batteri som har karakteristikan U = U 0 – R i I

SOLPANELER

SOLPANELER
Åter till internationella rymdstationen ISS
The International Space Station, ISS, kommer att
väga nära 500000 kg.
”The station will be in an orbit with an altitude of 250 statute
miles with an inclination of 51.6 degrees. This orbit allows
the station to be reached by the launch vehicles of all the
international partners to provide a robust capability for the
delivery of crews and supplies. The orbit also provides
excellent Earth observations with coverage of 85 percent of
the globe and over flight of 95 percent of the population. By
the end of this year, about 500,000 pounds of station
components will be have been built”

Det finns 8 stycket
flexibla, utfällbara
paneler på ISS.
systems. Hur det ser
ut visas här.
SOLPANELER

Här syns de 84
panelerna, av vilka
82 har solceller.
Varje panel har 200
solceller. Totalt blir
det alltså 262,400
solceller.
SOLPANELER

When the ISS begins its
mission, each cell will
produce about one watt of
power, for a theoretical
maximum system power
output of 246 kilowatts. That
is enough electricity to power
about 200 homes.
SOLPANELER
ISS

SOLPANELER
ISS
Efter15 år i bana, skall
cellerna, trots att de
gradvis förstörs,
producera 185
kilowatt.

SOLPANELER
Så vad är solpaneler,
hur används och
hur fungerar dom?
I solceller omvandlas solljuset till elektrisk energi.
Energin lagras i ett 12-volts batteri där den hämtas
vid behov. Solpaneler består av ett antal
sammankopplade solceller för att få en högre
effekt.

SOLPANELER
Solceller är gjorda av
halvledarmaterial (kisel och
GaAs) och fungerar enligt
halvledarfysikens lagar och
kvantmekanikens fotoeffekt.
Fotoeffekten är en av tre processer ansvariga för
hur elektromagnetisk strålning (i vårt fall ljus) kan
omvandlas. De två andra är parbildning och
Compton-spridning.

SOLPANELER
Halvledare
Halvledare kallas ämnen som leder ström betydligt sämre
än t ex metaller, dock utan att vara isolatorer. Till
halvledare räknas ämnen som t ex kisel och germanium.
I en kiselkristall är atomerna ordnade i en regelbunden
kristallstruktur. Detta kan betraktas som en kub med en
atom i mitten och fyra atomer i kubens hörn som bilden
nedan visar.

SOLPANELER
Halvledare, forts.
Varje atom har fyra elektroner i sitt yttersta elektronskal
och är därför sammanbundna med fyra andra atomer med
s k elektronparbindning. Varje "centrum-atom" i en kub är
samtidigt "hörn-atom" i nästa kub. Detta ger en mycket
stabil atomkonstruktion samtidigt som det ger en dålig
ledningsförmåga.

SOLPANELER
Kiselkristaller
Om man byter ut en kiselatom i kristallstrukturen mot en
atom med fem elektroner i yttersta skalet, t ex arsenik,
används fyra elektroner till bindningen medan den femte
blir fri och kan leda elektricitet. Man säger att materialet
blivit n-ledande eftersom ledningen sker med hjälp av
negativa laddningar (elektroner).

SOLPANELER
Kiselkristaller, forts.
Om man i stället byter ut en kiselatom i kristallstrukturen
mot en atom med tre elektroner i yttersta skalet, t ex bor,
uppstår ett "hål" i bindningen där en elektron saknas.
Materialet har blivit p-ledande eftersom det är fråga om en
positiv laddning (egentligen avsaknad av en elektron).

Hur fungerar en solcell?
När solcellen belyses
polariseras den så att
framsidan blir negativt och
baksidan positivt laddad. Med
metallkontakter (framsidans
kontakt är gallerformad för att
släppa in ljus i cellmaterialet)
samlar man upp laddningen
som kan erhållas som ström i
en yttre krets.
SOLPANELER

SOLPANELER
Materialutveckling
Enkristallint kisel är naturligtvis det basmaterial som främst
använts, eftersom stor erfarenhet av detta finns inom
elektronikindustrin. Tillverkningsprocessen för högrena
enkristallina kiselbrickor är dock redan högt utvecklad och det
finns därför inte så stort hopp om ekonomisk effektivisering
även om produktionsvolymen drastiskt skulle ökas för att
tillgodose ett tilltänkt behov av solceller.

SOLPANELER
Gallium - Arsenik, (GaAs)
Detta är en annan kombination av halvledarmaterial som ofta
används inom rymdteknologin. Denna typ har uppmätts till
30% effektivitet. Det är dyrt och ganska sprött jämfört med
kiselceller

SOLPANELER
Andra vägar:
Man kan också utnyttja tunna filmer där den aktiva
halvledaren är ett tunt skikt av antingen flerkristallint kisel eller
ett amorft ämne. Cellen består av en tunn film, endast några
mikrometer tjock (kristallina celler är 100 gånger tjockare).
Det innebär att det går åt betydligt mindre - dyrt -
halvledarmaterial för tunnfilmsceller. Det finns flera olika
metoder att belägga stora ytor. Det innebär att metoderna är
lämpliga för hög produktionshastighet och automatisering..
Tunnfilmsmoduler kan tillverkas direkt genom att de skikt som
bygger upp cellen ritsas mekaniskt eller med laser på ett
sådant sätt att seriekoppling av lämpligt antal sker.

SOLPANELER
Amorft kisel har, trots att de ingående atomerna är
desamma, helt andra egenskaper är kristallint kisel.
Bland annat har det en högre ljusabsorbtion, vilket är
en nödvändighet för att cellen skall kunna göras tunn.
Amorft kisel är också det tunnfilmsmaterial som tagit
mest utvecklingsresurser i anspråk under 80-talet.
Amorfa moduler presenterades på marknaden 1984.
År 1996 bestod 15% av världsproduktionen av amorfa
kiselceller. De används mest i konsumentprodukter
och har en verkningsgrad på 5-7%.

SOLPANELER
Kadmium - Tellur (CdTe) är ett poly-kristallint material
som i effektivitet i produktions-modul uppmätts till c:a
7%. Det finns inte på marknaden ännu, men har visat
sig vara lovande vad avser produktionskostnader.
Koppar - Indium - Selen (CuInSe2, även kallat CIS)
är även detta ett poly-kristallint material som ännu inte
finns på marknaden, men som har visat ännu bättre
verkningsgrad (10,2%). Problemet med CIS är ännu så
länge av kvalitetskaraktär vid tillverkningen.

SOLPANELER

SOLPANELER
Infallande solljus
Strålningen mot jorden motsvarar en effekt av 1,35
kW/m 2 ! Endast ca 60 % av denna effekt når jordytan
och solinstrålningen mot en yta vinkelrätt mot
solstrålningen, är följaktligen i medeltal ca 0,8 kW/m 2 .
Solstrålningen når jordytan under olika vinkel, och
kommer därför att - räknat per m 2 markyta - få ett
annat värde än kW/m 2 .

SOLPANELER
Energigapet mellan valensbandet och
ledningsbandet kallas för bandgapet och
för kisel är det 1,1 eV. För att en foton
skall excitera en elektron från det förra
till det senare måste den alltså ha minst
denna energi.

SOLPANELER
Fotoner har energin E = hν = hc/λ. Här är h
Planck’s konstant dvs 6,6 10 -34 Js och c är
ljushatigheten. Vi kan se att vi behöver en
våglängd på 1,1 µm, dvs vi kan utnyttja solen
ganska bra, den har ju max på 0,5 µm.

SOLPANELER
Men – även om de flesta fotoner från solen
kan excitera elektroner så kan de som har
mer än tillräcklig energi ej bidra med denna
”extra” energi. Den förloras som värme i
solcellen.

SOLPANELER
Så verkningsgraden för en solcell minskas
både av att de fotoner med mindre energi
än bandgapet ej utnyttjas och av att de
med större energi inte bidrar med sin
överskottsenergi till elproduktionen.

SOLPANELER
Den teoretiska verkningsgraden för kisel är 29%.
Man har i laboratorium uppnått 23%
Vanligtvis använder man solceller med en
vekningsgrad på 15%

SOLPANELER
Figuren visa schematiskt sambandet mellan
intensiteten mot en yta vinkelrätt mot infallande
strålning och intensiteten mot en horisontell yta.

SOLPANELER
Ett villatak med 30 –
45 graders lutning,
orienterat mot söder
och med en yta av 50
m 2 täcktes med
solcells-moduler med
12,5% verkningsgrad.
Vi får vi en anläggning
på 6,25 kWt
Den årliga
produktionen blir:
12,5 x 1150 kWh/m 2 x
50 m 2 x 0,85 = 6100
kWh

SOLPANELER

SOLPANELER