solceller

nu for flere detaljer…

det er en grundlæggende introduktion til solceller—og hvis det er alt, hvad du ønskede, kan du stoppe her.Resten af denne artikel går nærmere ind på forskellige typer solceller, hvordan folk bruger solenergi til praktisk brug, og hvorfor solenergi tager så lang tid at fange på.

hvor effektive er solceller?

diagram: Effektivitet af solceller sammenlignet: den allerførste solcelle skrabet ind med blot 6 procent effektivitet; den mest effektive, der hidtil er produceret 46 procent under laboratorieforhold. De fleste celler er første generations typer, der kan klare omkring 15 procent i teorien og sandsynligvis 8 procent i praksis.

en grundlæggende regel i fysik kaldet loven om bevarelse af energi sigerat vi ikke magisk kan skabe energi eller få den til at forsvinde i tynd luft; alt hvad vi kan gøre er at konvertere den fra en form til en anden. Det betyder, at en solcelle ikke kan producere mere elektrisk energi, end den modtager hvert sekund som lys. I praksis,som vi snart ser, konverterer de fleste celler omkring 10-20 procent af den energi, de modtager til elektricitet. En typisk, single-junction silicium solarcell har en teoretisk maksimal effektivitet på omkring 30 procent, kendt som theShockley-Dronning grænse. Det er i det væsentlige fordi sollysindeholder en bred blanding af fotoner med forskellige bølgelængder ogenergier og enhver enkeltkryds solcelle vil blive optimeret til kun at fange fotoner inden for et bestemt frekvensbånd og spilder resten.Nogle af de fotoner, der rammer en solcelle, har ikke nokenergi til at slå elektroner ud, så de er effektivt spildt, mens nogle har for meget energi, og overskuddet er også spildt. De allerbedste, banebrydende laboratorieceller kan klare 46 procenteffektivitet under absolut perfekte forhold ved hjælp af flere knudepunkter for at fange fotoner med forskellige energier.

virkelige indenlandske solpaneler kan opnå en effektivitet på omkring 15 procent, giveet procentpoint her eller der, og det er usandsynligt, at det bliver meget bedre.Første generation, single-junction solceller kommer ikke til at nærme sig 30 procent effektiviteten af Shockley-Dronningens grænse, Pyt the lab rekord på 46 procent. Alle former for irriterende virkelige faktorer vil spise i den nominelle effektivitet,herunder konstruktionen af panelerne, hvordan de er placeret andangled, uanset om de nogensinde er i skygge, hvor rent du holder dem, hvordanvarm de får (stigende temperaturer har tendens til at sænke deres effektivitet),og om de er ventilerede (tillader luft at cirkulere nedenunder)for at holde dem kølige.

typer af fotovoltaiske solceller

de fleste af de solceller, du vil se på folks tag i dag, eri det væsentlige bare siliciumsmørbrød, specielt behandlet (“doteret”)for at gøre dem bedre elektriske ledere. Forskere henviser til disseklassiske solceller som første generation, stort set for at differentiere dem fra to forskellige, mere moderne teknologier kendt som anden-og tredje generation. Så hvad er forskellen?

første generation

Foto: En farverig samling af første generations solceller.Billede venligst udlånt af NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).90 procent af verdens solceller er lavet af vafleraf krystallinsk silicium (forkortet c-Si), skåret fra store ingots,der dyrkes i super-rene laboratorier i en proces, der kantage op til en måned at fuldføre. Barren har enten form afenkeltkrystaller (monokrystallinsk eller mono-Si) eller indeholder flere krystaller (polykrystallinsk,multi-Si eller poly c-Si). Første generations solceller fungerer som vi viser i boksen ovenfor: de bruger en enkelt, enkel krydsmellem N-type og p-type siliciumlag, der er skåret fraseparate ingots. Så en n-type Barre ville blive fremstillet ved opvarmning af chunksof silicium med små mængder fosfor, antimon eller arsen som dopemidlet, mens en p-type Barre ville bruge bor som doperingsmiddel.Skiver af N-type og p-type silicium smeltes derefter sammen for at gøre funktionen. Et par flere klokker og fløjter tilføjes (som anantireflekterende belægning, som forbedrer lysabsorptionen og giverfotovoltaiske celler deres karakteristiske blå farve, beskyttende glaspå forsiden og en plastikunderlag og metalforbindelser, så cellen kanforbindes i et kredsløb), men et simpelt p-n-kryds er essensen afde fleste solceller. Det er stort set, hvordan alle fotovoltaiske silicium solceller har arbejdet siden 1954, hvilket var da forskere ved Bell Labspionerede teknologien: skinnende sollys på silicium ekstraheret fraog de genererede elektricitet.

anden generation

foto: en tyndfilm, anden generation sol ” panel.”Den kraftgenererende film er lavet af amorft silicium, fastgjort til en tynd, fleksibel og relativt billig plastunderlag (“substratet”).Billede af NREL(billed-id #6321083).

klassiske solceller er relativt tynde skiver-normalt afraktion af en millimeter dyb (ca.200 mikrometer, 200 liter eller deromkring).Men de er absolutte plader sammenlignet med anden generationceller, populært kendt som tyndfilmsolceller (TPSC) orthin-film fotovoltaik (TFPV), som er omkring 100 gangetyndere igen (flere mikrometer eller milliontedele af en meter dyb).Selvom de fleste stadig er lavet af silicium (en anden form kendt somamorf silicium, a-Si, hvor atomer er arrangeret tilfældigt i stedet for præcist bestilt i en regelmæssig krystallinsk struktur), er nogle lavet af andre materialer, især cadmium-tellurid (Cd-Te) og Copper indium gallium diselenid (CIGS). Fordi de er ekstremt tynde, lette og fleksible, kan anden generation af solceller belamineres på vinduer, ovenlysvinduer, tagsten og alle slags”underlag” (bagmaterialer), herunder metaller, glas og polymerer (plast). Hvad andengenerationsceller får i fleksibilitet, ofrer de ineffektivitet: klassiske, første generations solceller overgår stadig dem. Så mens en førsteklasses første generations celle muligvis opnår eneffektivitet på 15-20 procent, kæmper amorf silicium for at komme over7 procent, de bedste tyndfilm Cd-Te-celler styrer kun omkring 11 procent, og CIGS-celler gør ikke bedre end 7-12 procent. Det er en grund til, at andengenerationsceller på trods af deres praktiske fordele hidtil har haft relativt lille indflydelse på solmarkedet.

tredje generation

foto: Tredje generation af plastsolceller produceret af forskere ved Det nationale laboratorium for vedvarende energi.Foto af Jack Dempsey høflighed af NREL (billede id #6322357).

de nyeste teknologier kombinerer de bedste funktioner i første oganden generation celler. Ligesom første generationens celler lover derelativt høj effektivitet (30 procent eller mere). Ligesom andengenerationsceller er de mere tilbøjelige til at blive fremstillet af andre materialer end “simpelt” silicium, såsom amorf silicium, organiske polymerer (fremstilling af organiske fotovoltaik,OPV ‘ er), perovskite krystaller og har flere kryds (lavet af flere lag af forskellige halvledende materialer). Ideelt set ville det gøre dem billigere, mere effektive og mere praktiske end enten første – eller anden generations celler.I øjeblikket er verdensrekorden effektivitet for tredje generation solaris 28 procent, opnået ved en perovskite-silicium tandem solcelle i December 2018.

hvor meget strøm kan vi lave med solceller?

i teorien, en enorm mængde. Lad os glemme solceller for øjeblikketog overvej bare rent sollys. Op til 1000 vand af rå solenergi hver kvadratmeter jord peger direkte mod solen (det er den teoretiske kraft af direkte middagssol på en skyfri dag—med solstrålerne skyder vinkelret på jordens overflade og giver maksimal belysning eller isolering, som det er teknisk kendt). I praksis, efter at vi har korrigeret for hældningenaf planeten og tidspunktet på dagen, er det bedste, vi sandsynligvis får, måske 100-250 vand pr.kvadratmeter i typiske nordlige breddegrader(selv på en skyfri dag). Det svarer til omkring 2-6 om dagen (afhængigt af om du er i en nordlig region som Canada eller Skotland eller et sted mere forpligtende som f.eks.Multiplicere op for et helt års produktion giver os et stedmellem 700 og 2500 KVH pr.kvadratmeter (700-2500 enheder afelektricitet). Varmere regioner har klart meget større solpotentiale: Mellemøsten modtager for eksempel omkring 50-100 procent mere nyttig solenergi hvert år end Europa.

Desværre er typiske solceller kun omkring 15 procenteffektiv, så vi kan kun fange en brøkdel af denne teoretiskeenergi. Derfor skal solpaneler være så store: mængden afstrøm du kan lave er naturligvis direkte relateret til hvor meget område duhar råd til at dække med celler. En enkelt solcelle (omtrent størrelsen af en compact disc) kan generere omkring 3-4, 5 vand; en typisk solcellemodul fremstillet af en række på omkring 40 celler (5 rækker med 8 celler) kunne gøre omkring 100-300 vand; 3-4 moduler, kunne derfor generere et absolutmaksimum af flere kilovatt (sandsynligvis lige nok til at opfylde et hjem ‘ tale strømbehov).

hvad med solcelleanlæg?

foto: det store 91 hektar (225 hektar) Alamosa Solgenereringsprojekt i Colorado genererer op til 30 megavatts solenergi ved hjælp af tre snedige tricks. For det første er der et stort antal fotovoltaiske paneler (500 af dem, hver i stand tilat lave 60kv). Hvert panel er monteret på en separat, roterende samling, så det kan spore solen gennem himlen.Og hver har flere Fresnel linser monteret på toppen for at koncentrere solens stråler på sine solceller.Foto af Dennis Schroeder med tilladelse fra NREL (billed-id #10895528).

men formoder, at vi vil lave rigtig store mængder solkraft. For at generere så meget elektricitet som en heftig vindmølle (med en maksimal effekt på måske to eller tre megavatter) har du brug for ca.500–1000 soltage. Og for at konkurrere med et stort kul—eller atomkraftværk (vurderet i gigavatterne, hvilket betyder tusind megavatteller milliarder vand), har du brug for 1000 gange så mange igen-svarende til omkring 2000 vindmøller eller måske en million soltage. (Disse sammenligninger antager, at vores sol og vind producerer maksimal produktion.) Selvom solceller er rene og effektive energikilder,er en ting, de ikke rigtig kan hævde at være i øjeblikket, effektive jord. Selv de enorme solfarme, der nu springer op overalt, producerer kun beskedne mængder strøm (typisk omkring 20 megavattereller omkring 1 procent som et stort, 2 gigavat kul eller atomkraftværk). Det britiske fornyelsesfirma Ecotricity har anslået, at det tager omkring 22.000 paneler lagt på tværs af A12 hektar (30 hektar) site for at generere 4,2 megavatterkraft, omtrent så meget som to store vindmøller og nok til at drive 1.200 hjem.

strøm til folket

foto: En mikrovindmølle og et solcellepanel arbejder sammen om at drive en bank med batterier, der holder dette advarselsskilt til motorvejskonstruktion tændt dag og nat. Solpanelet er monteret, vendt op mod himlen, på det flade gule “låg”, du kan se lige oven på skærmen.

Nogle mennesker er bekymrede for, at solfarme vil opsluge jord, der er nødvendigt for ægte landbrug og fødevareproduktion. Bekymre aboutland-take misser et afgørende punkt, hvis vi taler om at sætte solarpaneler på hustage. Miljøforkæmpere vil hævde, at det egentlige punkt med solenergi ikke er at skabe store, centraliserede solkraftværker (så magtfulde forsyningsselskaber kan fortsætte med at sælge elektricitet til magtesløse mennesker med en høj fortjeneste), men at fortrænge beskidte, ineffektive, centraliserede kraftværker ved at lade folk selv lave magt på det sted, hvor de bruger det. Det fjerner ineffektiviteten af produktionen af fossilt brændsel, luftforureningen og de emissioner, de producerer, og fjerner også ineffektiviteten ved at overføre strøm fra produktionsstedet til brugsstedet via overliggende eller underjordiske kraftledninger. Selvom du skal dække hele dit tag med solcellepaneler(eller laminat tyndfilm solceller på alle dine vinduer), hvis du kunneopfylde hele dit elbehov (eller endda en stor del afdem), ville det ikke være noget: dit tag er bare spildt plads alligevel.Ifølge en rapport fra 2011 fra European Photovoltaic IndustryAssociation og Greenpeace er der ikke noget reelt behov for at dække værdifuldelandbrug med solcellepaneler: omkring 40 procent af alle tage og 15 procent af bygningsfacader i EU-landene ville være egnet til Pvpaneler, hvilket ville udgøre ca.40 procent af den samlede efterspørgsel efter elektricitet inden 2020.

det er vigtigt ikke at glemme, at solenergi skifter elproduktion tilstrømforbrugspunktet—og det har store praktiske fordele. Soldrevne armbåndsure og regnemaskiner har teoretisk brug for ingen batterier (i praksis har de batteribackups), og mange af os ville nyde soldrevne smartphones, der aldrig havde brug foropladning. Vej-og jernbaneskilte er nu undertiden soldrevne;blinkende nødvedligeholdelsesskilte har ofte solpaneler monteret, så de kan indsættes på selv de fjerneste steder. I udviklingslandene, der er rige på sollys, men fattige på elektriskinfrastruktur, driver solpaneler vandpumper,telefonbokse og køleskabe på hospitaler og sundhedsklinikker.

Hvorfor har solenergi ikke fanget endnu?

svaret på det er en blanding af økonomiske, politiske ogteknologiske faktorer. Fra det økonomiske synspunkt, i de flestelande,elektricitet produceret af solpaneler er stadig dyrere end elektricitet fremstillet ved at brænde beskidte, forurenende fossile brændstoffer. Verden har en enorm investering i fossilbrændstofinfrastruktur, og selvom magtfulde olieselskaber har dabbled i solkraftudskud, synes de meget mere interesserede i at forlænge levetiden for eksisterende olie-og gasreserver med teknologier som fracking (hydraulisk brud). Politisk er olie -, gas-og kulvirksomheder enormt magtfulde og indflydelsesrige og modstår den slags miljøregler, der favoriserer vedvarende teknologier som sol og vindkraft. Teknologisk, som vi allerede har set, er solceller apermanent “igangværende arbejde”, og meget af verdens solinvestering er stadig baseret på første generations teknologi. Hvem ved, måske vil det tage flere årtier, før de seneste videnskabeligeadvances gør business case For solar virkelig overbevisende?

et problem med argumenter af denne art er,at de kun afvejer grundlæggende økonomiske og teknologiske faktorer og undlader at overveje de skjulte miljøomkostninger ved ting som olieudslip, luftforurening, ødelæggelse af jord fra kulminedrift eller klimaændring—og især de fremtidige omkostninger, som er vanskelige eller mulige at forudsige. Det er helt muligt, at voksende bevidsthed om disse problemer vil fremskynde skiftet væk fra fossile brændstoffer, selv hvis der ikke er yderligere teknologiske fremskridt; med andre ord kan den tid komme, hvor vi ikke længere har råd til at udskyde den universelle anvendelse af vedvarende energi. I sidste ende er alle disse faktorersammenhængende. Med overbevisende politisk lederskab kunne verden forpligte sig til en solrevolution i morgen: politik kunne tvinge teknologiske forbedringer, der ændrer solenergiens Økonomi.

og økonomi alene kunne være nok. Tempoet i teknologi, innovationer inden for fremstilling og stordriftsfordele fortsætter med at nedbringe omkostningerne ved solceller og paneler. Mellem 2008 og 2009 alene, ifølge BBCs miljøanalystroger Harrabin,faldt priserne med omkring 30 procent, og Kinas stigende dominans af solproduktionhar fortsat drevet dem ned lige siden.Mellem 2010 og 2016 faldt omkostningerne ved store fotovoltaik med omkring 10-15 procent om året ifølge US Energy Information Administration; samlet set er prisen på at skifte til sol faldet med omkring 90 procent i det sidste årti, hvilket yderligere cementerer Kinas greb på markedet. Seks af verdens ti største solproducenter er nu kinesiske; i 2016 kom omkring to tredjedele af den nye amerikanske solkapacitet fra Kina, Malaysia og Sydkorea.

indhenter hurtigt?

vippepunktet for sol forventes at ankomme, når det kan opnå noget, der hedder netparitet, hvilket betyder, atsolgenereret elektricitet, du laver dig selv, bliver så billig somstrøm, du køber fra nettet. Mange europæiske lande forventer at nå denne milepæl inden 2020. Solar har helt sikkert lagt meget imponerende vækstrater i de senere år, men det er vigtigt at huske, at det stadig kun repræsenterer en brøkdel af den samlede verdensenergi. I Storbritannien pralede solindustrien for eksempel af en”milepælspræstation” i 2014, da den næsten fordoblede den samlede installerede kapacitet for solcellepaneler fra ca.2,8 GV til 5 GV. Men det repræsenterer stadig kun et par store kraftværker, og ved maksimal produktion kun 8 procent af Storbritanniens samlede elbehov på ca.60 GV (factoring i ting som cloudiness ville reducere det til en brøkdel af 8 procent).

ifølge US Energy Information Administration,i USA, hvor fotovoltaisk teknologi blev opfundet, fra 2018, repræsenterer Sol kun 1, 6 procent af landets samlede elproduktion.Det er omkring 23 procent op fra 2017 (da Sol var 1.3 procent), 80 procent op på 2016 (da tallet var 0.9 procent)og omkring fire gange så meget som i 2014 (da sol stod på kun 0.4 procent).Alligevel er det stadig omkring 20 gange mindre end kulog 40 gange mindre end alle fossile brændstoffer. Med andre ord, selv en 10 gange stigning i amerikansk sol ville se, at den producerer ikke meget mere end halvdelen så meget elektricitet som kul gør i dag(10 til 1,6 = 16 procent sammenlignet med 27,4 procent for kul i 2018). Det fortæller at bemærke,at to af verdens største årlige energianmeldelser, BP statistisk gennemgang af Verdensenergi og Det Internationale Energiagenturs vigtigste verdens energistatistik, nævner næppe solkraft overhovedet, undtagen som en fodnote.

diagram: Solenergi gør mere af vores elektricitet hvert år, men stadig ikke nær så meget som kul. Dette diagram sammenligner procentdelen af elektricitet produceret i USA af solenergi (grøn linje) og kul (rød linje). Situationen er bedre end dette i nogle lande og værre i andre.Tegnet af explainthatstuff.com brug af historiske og aktuelle data fra US Energy Information Administration.

vil det ændre sig når som helst snart? Det kan det bare. Ifølge et 2016-papir fra forskere fra University of London,falder prisen på Sol nu så hurtigt, at det er på vej til at levere 20 procent af verdens energibehov inden 2027,hvilket ville være en skridt ændring fra hvor vi er i dag, og en langt hurtigere vækst end nogen tidligere har forudsagt. Kan dette væksttempo muligvis fortsætte? Kan solenergi virkelig gøre en forskel for klimaændringerne, før det er for sent? Se dette rum!

en kort historie af solceller

• 1839: Den franske fysiker Aleksandre-Edmond Beckerel (far til radioaktivitetspioner Henri Beckerel) opdager, at nogle metaller er fotoelektriske: de producerer elektricitet, når de udsættes for lys.
• 1873: engelsk ingeniør Viloughby Smith opdager, at selen er en særlig effektiv fotoleder (den bruges senere af Chester Carlson i sin opfindelse af kopimaskinen).
• 1905: tyskfødt fysiker Albert Einstein finder ud af fysikken i den fotoelektriske effekt, en opdagelse, der til sidst tjener ham en Nobelpris.
• 1916: Den amerikanske fysiker Robert Millikan beviser Einsteins teori eksperimentelt.1940: Russell Ohl fra Bell Labs opdager ved et uheld, at en doteret kryds halvleder vil producere en elektrisk strøm, når den udsættes for lys.
• 1954: Bell Labs-forskere Daryl Chapin, Calvin Fuller og Gerald Pearson fremstiller den første praktiske solcellecelle af fotovoltaisk silicium, som er omkring 6 procent effektiv (en senere version administrerer 11 procent). De annoncerer deres opfindelse—oprindeligt kaldet “solbatteriet” – den 25.April.
• 1958: Vanguard, opdagelsesrejsende og Sputnik rumsatellitter begynder at bruge solceller.
• 1962: 3600 af Bell solbatterier bruges til at drive Telstar, den banebrydende telekommunikationssatellit.
• 1997: den amerikanske føderale regering annoncerer sit Million Solar Roofs-initiativ—at konstruere en million soldrevne tage inden 2010.
• 2002: NASA lancerer sit Pathfinder Plus solplan.
• 2009: forskere opdager, at perovskit-krystaller har et stort potentiale som tredje generationens fotovoltaiske materialer.
• 2014: Et samarbejde mellem Tyske og franske forskere producerer en ny rekord på 46 procent effektivitet for en fire-junction solcelle.
• 2020: solceller forventes at opnå netparitet (solgenereret elektricitet, du laver selv, vil være lige så billig som strøm, du køber fra nettet).
• 2020: Perovskite-siliciumceller lover en stor stigning i soleffektivitet.