Lys og varme fra sola er den klart største energikilden vi har på jorda. Ifølge Store norske leksikon treffes jorda av omlag 15.000 ganger energimengden av alt menneskelig energiforbruk i verden. I gjennomsnitt over året treffes jorda av cirka 0,5 kW med solenergi per kvadratmeter, målt vinkelrett på strålenes retning.

Det er opplagt at å høste av denne evigvarende energikilden – i alle fall de neste fem milliarder årene, så lenge sola skinner – er attraktivt. Solenergi er bærekraftig, varig og trygt, og i en tid der det er viktig å komme unna forbrenningsbaserte energikilder, har solenergi fått et stort fokus i verden.

Solenergi består av to typer energi: Varme- og lysenergi. Begge deler kan utnyttes, men i denne artikkelen skal vi konsentrere oss om å utnytte sollyset til å produsere elektrisitet.

Les også

Fakta: Fra sand til solkraft

Den fotovoltaiske effekt

Enkelte materialer genererer elektrisk spenning når de blir utsatt for lys. Dette fenomenet ble først oppdaget på første halvdel av 1800-tallet, og ble deretter grundigere studert mot slutten av samme århundret. Mange store vitenskapsmenn studerte og teoretiserte over fenomenet, blant annet fikk Albert Einstein Nobelprisen i fysikk for 1921 for sitt arbeid med den fotoelektriske effekt, der han beskrev lys ikke bare som bølger, men også partikler uten masse, men med energi – fotoner.

Han utarbeidet teorien om at lys må ha mer enn en viss frekvens for å klare å tilføre elektroner i et dertil egnet materiale så mye energi at de blir mobile, slik at en elektrisk strøm blir mulig. Samtidig viste han at lysets intensitet har ingen ting med fenomenet å gjøre – infrarødt lys, som vi sanser som varme, kan ikke utløse den fotovoltaiske effekten, uansett hvor intenst det er.

Rett før andre verdenskrig utviklet den amerikanske forskeren Russel Ohl den første moderne solcellen, som han patenterte i 1941. Den var basert på krystaller av grunnstoffet silisium, som nesten alle dagens solceller er basert på. I 1954 bygde selskapet Bell Labs det første solcellepanelet basert på Ohls arbeid. Det ble brukt til å produsere strøm til de første satellittene i romfartens barndom.

Det er altså et av de vanligste stoffene i jordskorpa som danner grunnlaget. Hele 28 prosent av jordskorpen er silisium, men dette helt ordinære grunnstoffet er likevel avgjørende for all elektronikk, solceller inkludert. Det er fordi silisiumkrystaller er selve basisen for dagens halvledere – materialet som elektroniske komponenter, fra transistorer til prosessoren i pc-en, mobilen og alle andre elektronikkprodukter er basert på.

Dopet silisium

Utgangspunktet er superren silisium – den må være 99,9999 prosent ren for å kunne brukes i halvlederproduksjon. En halvleder er et materiale som vanligvis ikke leder elektrisitet spesielt bra, men som kan manipuleres til å bli mer elektrisk ledende, og under vår kontroll. Det gjøres ved å blande inn små, presise mengder av andre grunnstoffer for å kontrollere hvordan de elektriske egenskapene skal bli.

Mengdene er så små at det handler mer om kontrollert forurensing enn å lage en ny kjemisk forbindelse, som en legering av metaller. Forskerne kaller denne miksen for «doping av silisiumet». Et blandingsforhold på 1:50.000 regnes som meget kraftig doping, mens et forhold på 1:5.000.000.000 regnes som svært svak doping av silisiumet.

Denne dopingen påvirker over- eller underskudd av frie elektroner i silisiumkrystallet. Det gjør at materialets evne til å avgi eller motta elektroner blir styrket. En strøm av elektroner i en krets er som kjent det vi kaller elektrisitet.

Når vi doper silisiumet med for eksempel grunnstoffet fosfor, vil materialet få et overskudd av elektroner som er frie til å strømme i en krets. Elektroner har negativ lading, og derfor kalles denne halvlederen «N-type», fordi dette blir den negative polen i kretsen. Tilsvarende, om vi doper silisiumet med grunnstoffet bor, som har færre elektroner enn silisium, får vi et materiale med færre frie elektroner, som gjør det mindre elektrisk ledende.

Samtidig kan vi si at fraværende (negative) elektroner i praksis utgjør en positiv lading, og derfor kalles denne typen halvleder for «P-type». P-typekrystallet får ledige elektronplasser, som gjør at P-typen lett tar imot elektroner men har vanskelig for å gi fra seg elektroner. Disse ledige plassene kaller forskerne for «hull», fordi de er en plass der frie elektroner passer og trekkes mot. Disse «hullene» er faste i silisiumet, men om elektroner hopper fra hull til hull, som kulene i kinasjakk, vil hullene kunne flytte seg.

DOPING: Denne videoen viser hvordan dopingen fungerer i silisium. Den inneholder noen få formler underveis vi kan ignorere, men mot slutten også god animasjon som viser hvordan vi styrer og kontrollerer de elektriske egenskapene i materialet. (Video: MIT OpenCourseWare)

Når vi ved hjelp av N-type og P-type halvledere har en positiv og negativ pol, har vi fått grunnlaget til en elektrisk krets der elektroner kan strømme fra P-typen til N-typen, men ikke motsatt. Magien skjer når vi setter dem sammen, og får det som kalles en «p-n-overgang» (pn-junction).

Solcellen

En N-type og en P-type halvleder settes sammen i prosesser der høy temperatur brukes, det holder ikke å bare legge dem inntil hverandre. Resultatet er at delene blir sammensmeltet, og i området der de møtes, dannes p-n-overgangen. Der vil de nærmeste frie elektronene på N-siden vandre over mot de nærmeste ledige hullene på P-siden, og der blir de værende.

På denne måten danner det seg en såkalt «utarmet sone» på midten, der det ikke finnes frie elektroner og ledige hull. På grunn av denne elektronvandringen får N-siden av sonen en svak positiv ladning mens P-siden, med færre ledige hull og dermed mindre positiv ladning, får en svak negativ ladning. Derfor danner det seg et elektrisk felt fra positiv til negativ ladning over p-n-overgangen, og det driver det som skjer videre:

Når fotoner i sollyset treffer N-siden av cellen, så rekker de inn i den utarmete sonen, p-n-overgangen, og der har de tilstrekkelig energi til å «slå fra hverandre» elektroner og hullene de sitter i. På grunn av det elektriske feltet over overgangen vil elektronene trekkes til N-siden, mens hullene dras mot P-siden. Der vil overskuddene av både elektroner og hull bli så store at det oppstår en spenningsforskjell mellom dem. I silisiumbaserte celler blir denne forskjellen på 0,7 volt.

Om vi nå kobler en energiforbruker, for eksempel en lysdiode, til yttersidene av N- og P-sonene, vil en elektronstrøm gå gjennom denne utvendige kretsen. Overskuddselektronene går fra N-sonen, gjennom lysdioden som lyser opp, og inn i P-sonen, der de binder seg til ledige hull.

Så lenge cellen blir belyst vil denne prosessen pågå, siden stadig nye elektroner og hull vil dannes i p-n-overgangen i midten av cellen.

Dette er ganske tungt stoff for de fleste, og det er ikke lett å se for seg hvordan dette går for seg, bare ved å lese det. Heldigvis har flinke pedagoger og animatører lagd gode videoer som forklarer det samme som vi har gjort her. Husk bare at når den engelsktalende kommentatoren sier «silicon», så er det ikke silikon han snakker om - det er det engelske navnet på grunnstoffet silisium!

Her er to gode videoer om solceller vi anbefaler: