solceller

nu för mer detaljer…

det är en grundläggande introduktion till solceller-och om det är allt du ville, kan du sluta här.Resten av den här artikeln går in mer i detalj om olika typer av solceller, hur människor sätter solenergi till praktisk användning, och varför solenergi tar så lång tid att fånga på.

hur effektiva är solceller?

Diagram: Effektivitet av solceller jämfört: den allra första solcellen skrapas in på bara 6 procent effektivitet; den mest effektiva som har producerats hittills lyckades 46 procent i laboratorieförhållanden. De flesta celler är första generationens typer som kan hantera cirka 15 procent i teorin och förmodligen 8 procent i praktiken.en grundläggande fysikregel som kallas lagen om bevarande av energi säger att vi inte magiskt kan skapa energi eller få den att försvinna i tunnair; allt vi kan göra är att konvertera det från en form till en annan. Det betyderen solcell kan inte producera mer elektrisk energi än den tar emot varje sekund som ljus. I praktiken,som vi kommer att se inom kort, omvandlar de flesta celler cirka 10-20 procent av den energi de tar emot till El. En typisk kiselsolarcell med en korsning har en teoretisk maximal effektivitet på cirka 30 procent, känd som theShockley-Queisser-gränsen. Det beror i huvudsak på att solljuset innehåller en bred blandning av fotoner med olika våglängder och energier och alla solceller med en korsning kommer att optimeras för att fånga fotoner endast inom ett visst frekvensband och slösa resten.Några av fotonerna som slår en solcell har inte tillräckligtenergi för att slå ut elektroner, så de är effektivt bortkastade, medan vissa har för mycket energi, och överskottet slösas också bort. De allra bästa, banbrytande laboratoriecellerna kan hantera 46 procenteffektivitet i absolut perfekta förhållanden med flera korsningar för att fånga fotoner av olika energier.

verkliga inhemska solpaneler kan uppnå en effektivitet på cirka 15 procent, ge en procentenhet här eller där, och det är osannolikt att bli mycket bättre.Första generationens solceller med en korsning kommer inte att närma sig 30-procentens effektivitet av Shockley-Queisser-gränsen, tänk inte på labbrekordet på 46-procent. Alla typer av irriterande verkliga faktorer kommer att äta i den nominella effektiviteten,inklusive panelernas Konstruktion, hur de är placerade och om de någonsin är i skugga, hur rena du håller dem, hur heta de får (ökande temperaturer tenderar att sänka effektiviteten) och om de är ventilerade (tillåter luft att cirkulera under)för att hålla dem svala.

typer av fotovoltaiska solceller

de flesta solceller som du ser på människors tak idag är i huvudsak bara kiselsmörgåsar, specialbehandlade (”dopade”)för att göra dem bättre elektriska ledare. Forskare hänvisar till dessa klassiska solceller som första generationen, till stor del för att skilja dem från två olika, modernare tekniker som kallas andra och tredje generationen. Så vad är skillnaden?

första generationen

foto: en färgstark samling av första generationens solceller.Bild med tillstånd av NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

cirka 90 procent av världens solceller är gjorda av wafersof kristallint kisel (förkortat c-Si), skivad från stora ingots,som odlas i superrena laboratorier i en process som kanta upp till en månad att slutföra. Ingotsna har antingen formen avenkelkristaller (monokristallina eller mono-Si) eller innehåller flera kristaller (polykristallina,multi-Si eller poly c-Si). Första generationens solceller fungerar som vi visas i rutan ovanför: de använder en enda, enkel korsningmellan kiselskikt av N-typ och p-typ, som skivas frånseparata ingots. Så en N-typ göt skulle göras genom uppvärmning chunksof kisel med små mängder fosfor, antimon, eller arsenik asthe dopant, medan en p-typ göt skulle använda bor som dopant.Skivor av N-typ och p-typ kisel smälts sedan för att göra thejunction. Några fler klockor och visselpipor läggs till (som anantireflekterande beläggning, vilket förbättrar ljusabsorptionen och gerfotovoltaiska celler deras karakteristiska blå färg, skyddsglaspå framsidan och en plastbaksida och metallanslutningar så att cellen kankopplas in i en krets), men en enkel p-n-korsning är kärnan iDe flesta solceller. Det är ganska mycket hur alla fotovoltaiska kiselsolceller har fungerat sedan 1954, vilket var när forskare vid Bell Labspionerade tekniken: lysande solljus på kisel extraherat frånoch de genererade El.

andra generationen

foto: en tunnfilm, andra generationens sol ”-panel.”Den kraftgenererande filmen är tillverkad av amorft kisel, fäst vid en tunn, flexibel och relativt billig plastunderlag (”substratet”).Foto av Warren Gretz med tillstånd av NREL (bild-id #6321083).

klassiska solceller är relativt tunna skivor-vanligtvis afraktion av en millimeter djup (ca 200 mikrometer, 200 MICR, eller så).Men de är absoluta plattor jämfört med andra generationceller, populärt kända som tunnfilmssolceller (TPSC) ellertinfilmsfotovoltaik (TFPV), som är cirka 100 gångertunnare igen (flera mikrometer eller miljondelar av en meter djup).Även om de flesta fortfarande är gjorda av kisel (en annan form som kallas amorft kisel, a-Si, där atomer är ordnade slumpmässigt i stället för exakt ordnade i en vanlig kristallin struktur), är vissa gjorda av andra material, särskilt kadmium-tellurid (Cd-Te) och koppar indium galliumdiselenid (CIGS). Eftersom de är extremt tunna, lätta och flexibla kan andra generationens solceller belamineras på fönster, takfönster, takplattor och alla typer av”substrat” (stödmaterial) inklusive metaller, glas och polymerer (plast). Vilka andra generationens celler får flexibilitet, de offrar ineffektivitet:klassiska, första generationens solceller överträffar dem fortfarande. Så medan en förstklassig första generationens cell kan uppnå en effektivitet på 15-20 procent, kämpar amorf kisel för att komma över 7 procent, hanterar de bästa tunnfilms-Cd-te-cellerna bara cirka 11 procent, och CIGS-celler gör inte bättre än 7-12 procent. Det är onereason varför, trots deras praktiska fördelar, andra generationens celler har hittills gjort relativt liten inverkan på solmarknaden.

tredje generationen

foto: Tredje generationens plastsolceller producerade av forskare vid National Renewable Energy Laboratory.Foto av Jack Dempsey med tillstånd av NREL (bild-id #6322357).

den senaste tekniken kombinerar de bästa egenskaperna hos första ochandra generationens celler. Liksom första generationens celler lovar derelativt hög effektivitet (30 procent eller mer). Liksekundgenerationsceller är de mer benägna att tillverkas av andra material än ”enkelt” kisel, såsom amorft kisel,organiska polymerer (gör organiska fotovoltaik, OPV), perovskitkristaller och har flera korsningar (gjorda av flera lager av olika halvledarematerial). Helst skulle det göra dem billigare, effektivare och mer praktiska än antingen första eller andra generationens celler.För närvarande är världsrekordseffektiviteten för tredje generationens solaris 28 procent, uppnådd av en perovskit-kisel tandem solcell i December 2018.

hur mycket kraft kan vi göra med solceller?

i teorin en stor mängd. Låt oss glömma solceller för ögonblicketoch bara överväga rent solljus. Upp till 1000 Watt rå solkraftpassar varje kvadratmeter jord som pekar direkt mot solen (det är den teoretiska kraften för direkt middags solljus på en molnfri dag—med solstrålarna som skjuter vinkelrätt mot jordens yta och ger maximal belysning eller insolation, som det ärtekniskt känt). I praktiken, efter att vi har korrigerat för lutningenav planeten och tiden på dagen, är det bästa vi sannolikt kommer att fåkanske 100-250 watt per kvadratmeter i typiska nordliga breddgrader(även på en molnfri dag). Det översätter till ca 2-6 kWh per dag(beroende på om du är i en nordlig region som Kanada orScotland eller någonstans mer förpliktande som Arizona eller Mexiko).Att multiplicera upp för ett helt års produktion ger oss någonstansmellan 700 och 2500 kWh per kvadratmeter (700-2500 enheter avel). Varmare regioner har tydligt mycket större solpotential: Mellanöstern får till exempel cirka 50-100 procent mer användbar solenergi varje år än Europa.

tyvärr är typiska solceller bara cirka 15 procenteffektiva, så vi kan bara fånga en bråkdel av denna teoretiskaenergi. Därför måste solpaneler vara så stora: mängden kraft du kan göra är uppenbarligen direkt relaterad till hur mycket område du har råd att täcka med celler. En enda solcell (ungefär storleken på en CD-skiva) kan generera cirka 3-4, 5 watt; en typisk solarmodule Tillverkad av en matris på cirka 40 celler (5 rader med 8celler) kan göra cirka 100-300 Watt; flera solpaneler, var och engjord av cirka 3-4 moduler, kan därför generera ett absolutamaximum av flera kilowatt (förmodligen bara tillräckligt för att möta ett hem ’ speak strömbehov).

vad sägs om solparker?

Foto: Det stora 91 hektar (225 hektar) Alamosa Solgenererande projekt i Colorado genererar upp till 30 megawatt solenergi med tre listiga knep. För det första finns det ett stort antal fotovoltaiska paneler (500 av dem, var och en kapablaav att göra 60kW). Varje panel är monterad på en separat roterande enhet så att den kan spåra solen genom himlen.Och var och en har flera Fresnel-linser monterade på toppen för att koncentrera solens strålar på sina solceller.Foto av Dennis Schroeder med tillstånd av NREL (bild-id #10895528).

men antar att vi vill göra riktigt stora mängder solkraft. För att generera så mycket el som en rejäl vindkraftverk (meden toppeffekt på kanske två eller tre megawatt) behöver du om500–1000 soltak. Och för att konkurrera med ett stort kol—eller kärnkraftverk (betygsatt i gigawatt, vilket betyder tusen megawatteller miljarder watt), skulle du behöva 1000 gånger så många igen-motsvarande cirka 2000 vindkraftverk eller kanske en miljon soltak. (Dessa jämförelser antar att vår sol och vind producerar maximal effekt.) Även om solceller är rena och effektiva kraftkällor,en sak som de inte riktigt kan hävda att vara just nu är effektiva Mark. Även de enorma solparker som nu växer upp överallt producerar endast blygsamma mängder kraft (vanligtvis cirka 20 megawatt, eller cirka 1 procent som ett stort 2 gigawatt kol eller kärnkraftverk). UK renewablecompany Ecotricity har uppskattat att det tar cirka 22 000 paneler som läggs över A12 hektar (30 hektar) plats för att generera 4,2 megawatt kraft, ungefär lika mycket som två stora vindturbiner och tillräckligt för att driva 1 200 hem.

ström till folket

foto: En mikrovindkraftverk och en solpanel arbetar tillsammans för att driva en bank med batterier som håller denna varningsskylt för motorvägskonstruktion upplyst dag och natt. Solpanelen är monterad, vänd upp mot himlen, på det platta gula ”Locket” kan du se precis ovanpå skärmen.

vissa människor är oroliga för att solparker kommer att sluka mark som behövs för riktigt jordbruk och livsmedelsproduktion. Oroa sig förland-ta missar en avgörande punkt om vi pratar om att sätta solpaneler på inhemska tak. Miljöaktivister skulle hävda attDen verkliga punkten med solenergi är inte att skapa stora, centraliseradesolkraftverk (så kraftfulla verktyg kan fortsätta sälja el till maktlösa människor med hög vinst), utan att förskjutasmutsiga, ineffektiva, centraliserade kraftverk genom att låta människor göra makten själva på den plats där de använder den. Detta eliminerar ineffektiviteten i kraftproduktion av fossila bränslen, luftföroreningar och koldioxidutsläpp som de gör, och eliminerar också ineffektiviteten i överföring av kraft från generationspunkten till användningspunkten genom överliggande eller underjordiska kraftledningar. Även om du måste täcka hela taket med solpaneler(eller laminera tunnfilms solceller på alla dina fönster), om du kunde uppfylla hela dina elbehov (eller till och med en stor del av dem), skulle det inte spela någon roll: ditt tak är bara bortkastat utrymme ändå.Enligt en rapport från 2011 från European Photovoltaic IndustryAssociation och Greenpeace finns det inget verkligt behov av att täcka valuable farmland med solpaneler: cirka 40 procent av alla tak och 15 procent av byggnadsfasader i EU-länder skulle vara lämpliga för Pvpaneler, vilket skulle uppgå till ungefär 40 procent av den totala efterfrågan på el till 2020.

det är viktigt att inte glömma att solenergi skiftar kraftproduktion till punkten för strömförbrukning—och det har stora praktiska fördelar. Soldrivna armbandsur och miniräknare behöver teoretiskt inga batterier (i praktiken har de batteribackup) och många av oss skulle njuta av soldrivna smartphones som aldrig behövdeladdning. Väg-och järnvägsskyltar är nu ibland soldrivna;blinkande nödunderhållsskyltar har ofta solpaneler monterade så att de kan användas även på de mest avlägsna platserna. I utvecklingsländer, rika på solljus men fattiga i elektriskainfrastruktur, solpaneler Driver vattenpumpar, telefonlådor och kylskåp på sjukhus och hälsokliniker.

Varför har inte solenergi fångats på ännu?

svaret på det är en blandning av ekonomiska, politiska ochtekniska faktorer. Ur ekonomisk synvinkel, i de flestaländer är el som genereras av solpaneler fortfarande dyrare än el som tillverkas genom att bränna smutsiga,förorenande fossila bränslen. Världen har en enorm investering i fossilbränsleinfrastruktur och även om kraftfulla oljebolag har dabbledin solenergi utlöpare, verkar de mycket mer intresserade av att förlänga livslängden på befintliga olje-och gasreserver med tekniker som fracking (hydraulisk sprickbildning). Politiskt är olje -, gas-och kolföretag enormt kraftfulla och inflytelserika och motstår den typ av miljöregler som gynnar förnybar teknik som sol-och vindkraft. Tekniskt, som vi redan har sett, är solceller apermanent” work in progress ” och mycket av världens solinvestering bygger fortfarande på första generationens teknik. Vem vet, kanske det kommer att ta flera årtionden innan de senaste vetenskapliga framstegen gör affärssaken för sol verkligen övertygande?

ett problem med argument av detta slag är att de bara väger upp grundläggande ekonomiska och tekniska faktorer och inte beaktar de dolda miljökostnaderna för saker som oljeutsläpp,luftföroreningar, markförstöring från kolbrytning eller klimatförändring—och särskilt de framtida kostnaderna, som är svåra eller möjliga att förutsäga. Det är fullt möjligt att växande medvetenhet om dessa problem kommer att påskynda övergången från fossila bränslen, ävenom det inte finns några ytterligare tekniska framsteg; med andra ord kan det komma en tid när vi inte längre har råd att skjuta upp det universella antagandet av förnybar energi. I slutändan är alla dessa faktorersammanhängande. Med övertygande politiskt ledarskap kunde världenåta sig till en solrevolution imorgon: politik kan tvingatekniska förbättringar som förändrar solenergins ekonomi.

och ekonomi ensam kan vara tillräckligt. Takten i teknik, innovationer i manufacturing, och stordriftsfördelar fortsätter att driva ner kostnaden för solceller och paneler. Bara mellan 2008 och 2009,enligt BBC: s miljöanalytiker Harrabin, sjönk priserna med cirka 30 procent, och Kinas ökande dominans av soltillverkninghar fortsatt att driva ner dem sedan dess.Mellan 2010 och 2016 föll kostnaden för storskalig fotovoltaik cirka 10-15 procent per år, enligtDen amerikanska Energiinformationsadministrationen; totalt sett har priset för att byta till sol sjunkit med cirka 90 procent under det senaste decenniet, vilket ytterligare cementerar Kinas grepp på marknaden. Sex av världens tio bästa soltillverkare är nu Kinesiska; år 2016 kom cirka två tredjedelar av den nya amerikanska solkapaciteten från Kina, Malaysia och Sydkorea.

foto: solceller är inte det enda sättet att göra ström från solljus—eller till och med nödvändigtvis det bästa sättet. Vi kan också använda solvärmekraft (absorberar värme från solljus för att värma vattnet i ditt hem), passiv Sol (designa en byggnad för att absorbera solljus) och solfångare (visas här). I den här versionen, 16 speglarsamla solljus och koncentrera det på en Stirling-motor(den grå rutan till höger), vilket är en extremt effektiv kraftproducent. Foto av Warren Gretz med tillstånd av NREL (bild-id #6323238).

fånga upp snabbt?

tipppunkten för sol förväntas komma när den kan uppnå något som kallas nätparitet, vilket innebär att solgenererad El du gör själv blir lika billig somkraft du köper från nätet. Många europeiska länder förväntar sig attuppnå denna milstolpe till 2020. Solar har verkligen skrivit mycket imponerande tillväxttakt de senaste åren, men det är viktigt att komma ihåg att det fortfarande representerar bara en bråkdel av den totala världenenergin. I Storbritannien skröt solindustrin till exempel om en”milstolpe” i 2014 när den nästan fördubblade den totala installerade kapaciteten hos solpaneler från ungefär 2.8 GW till 5 GW. MenDet representerar fortfarande bara ett par stora kraftverk och, atmaximal produktion, bara 8 procent av Storbritanniens totala elbehov på ungefär 60 GW (factoring i saker sommolnhet skulle minska den till en bråkdel av 8 procent).

enligt US Energy Information Administration,i USA, där fotovoltaisk teknik uppfanns, från och med 2018, representerar Sol endast 1, 6 procent av landets totala elproduktion.Det är ungefär 23 procent upp från 2017 (när Sol var 1.3 procent), 80 procent upp på 2016 (när siffran var 0.9 procent)och ungefär fyra gånger så mycket som i 2014 (när Sol stod på bara 0.4 procent).Ändå är det fortfarande cirka 20 gånger mindre än koloch 40 gånger mindre än alla fossila bränslen. Med andra ord, till och med en 10-faldig ökning av amerikanska sol skulle se att det inte producerar mycket mer än hälften så mycket el som kol gör idag(10 1,6 = 16 procent, jämfört med 27,4 procent för kol 2018). Det är värt att notera att två av världens stora årliga energiöversikter,BP Statistical Review of World Energy och InternationalEnergy Agency: s viktigaste Världsenergistatistik, knappt nämner solarpower alls, förutom som en fotnot.

Diagram: solenergi gör mer av vår El varje år, men fortfarande ingenstans i närheten lika mycket som kol. Detta diagram jämför andelen el som genereras i USA av solarpower (grön linje) och kol (röd linje). Läget är bättre än detta i vissa länder och sämre i andra.Dras av explainthatstuff.com använda historiska och aktuella data från US Energy Information Administration.

kommer det att ändras när som helst snart? Det kan bara. Enligt ett 2016-papper av forskare från Oxford University faller kostnaden för sol nu så snabbt att det är på väg att ge 20 procent av världens energibehov år 2027,vilket skulle vara en stegförändring från var vi är idag och en mycket snabbare tillväxttakt än någon tidigare har förutsett. Kan den tillväxttakten fortsätta? Kan Sol verkligen göra skillnad för klimatförändringen innan det är för sent? Titta på detta utrymme!

en kort historia av solceller

• 1839: Den franska fysikern Alexandre-Edmond Becquerel (far till radioaktivitetspionjären Henri Becquerel) upptäcker att vissa metaller är fotoelektriska: de producerar el när de utsätts för ljus.
• 1873: engelsk ingenjör Willoughby Smith upptäcker att selen är en särskilt effektiv fotokonduktor (den används senare av Chester Carlson i sin uppfinning av kopiatorn).
• 1905: tyskfödd fysiker Albert Einstein räknar ut fysiken i den fotoelektriska effekten, en upptäckt som så småningom tjänar honom ett Nobelpris.
• 1916: Den amerikanska fysikern Robert Millikan bevisar Einsteins teori experimentellt.
• 1940: Russell Ohl från Bell Labs upptäcker av misstag att en dopad halvledare kommer att producera en elektrisk ström när den utsätts för ljus.
• 1954: Bell Labs-forskarna Daryl Chapin, Calvin Fuller och Gerald Pearson gör den första praktiska fotovoltaiska kiselsolcellen, som är cirka 6 procent effektiv (en senare version hanterar 11 procent). De tillkännager sin uppfinning—ursprungligen kallad ”solbatteriet” – den 25 April.
• 1958: Vanguard, Explorer och Sputnik rymdsatelliter börjar använda solceller.
• 1962: 3600 av Bell solbatterier används för att driva Telstar, den banbrytande telekommunikationssatelliten.
• 1997: USA: s federala regering tillkännager sitt miljon soltak initiativ—att bygga en miljon soldrivna tak av 2010.
• 2002: NASA lanserar sitt Pathfinder Plus solplan.
• 2009: Forskare upptäcker att perovskitkristaller har stor potential som tredje generationens fotovoltaiska material.
• 2014: Ett samarbete mellan tyska och franska forskare ger en ny rekord på 46 procent effektivitet för en solcell med fyra korsningar.
• 2020: solceller förutspås uppnå nätparitet (solgenererad El du gör själv kommer att vara lika billig som kraft du köper från nätet).
• 2020: perovskit-kiselceller lovar en stor ökning av soleffektiviteten.