Vi har i en tidligere artikkel sett på hvordan solceller fungerer. Som eksempel i den artikkelen brukte vi en grunnleggende, tradisjonell solcelle for å forklare prinsippet. Avhengig av hvilken fremstillingsmetode som er brukt for å lage waferen i midten – multikrystallinsk eller monokrystallinsk – vil en tradisjonell slik celle ha en effektivitet på henholdsvis 15-18 prosent eller 16,5-19 prosent. Effektiviteten viser til hvor stor andel av solenergien som treffer cellen blir omgjort til elektrisk energi vi kan bruke.

Les også

Slik navigerer du i solcelle-jungelen

Den teoretiske maksimale effektiviteten for en enkel silisiumbasert solcelle er på cirka 32 prosent. Forskningen og utviklingen handler om å kutte ned på avstanden mellom praktiske solceller og teoretisk maks. Samtidig må solcellene ikke koste for mye, helst ikke bestå av for mange sjeldne, eksotiske eller miljøfarlige materialer, være robuste og vare og fungere lenge, gjerne flere tiår.

Det finnes mange teknikker for å forbedre solceller, både materialbruken i sammensetningen av cellen og det elektriske designet i oppbyggingen av cellen kan bidra. De beste metodene tas i bruk av mange eller alle leverandørene, og teknikkene får også sine egne betegnelser som «HJT», «PERC» eller «IBC» og andre ikke akkurat forbrukervennlige navn. Disse støter vi på i datablader og i pristilbud på solcellesystemer – i tillegg til i det meste som skrives om solceller.

I denne artikkelen skal vi vise høyt kvalifiserte spådommer om hvilke varianter som kommer til å være de viktigste på solcellemarkedet de neste ti årene, i tillegg til hvordan disse fungerer.

Multikrystallinsk vil dø ut

Den tyske industriforeningen VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) produserer den årlige rapporten «International technology roadmap for photovoltaic (ITRPV)». Denne rapporten er basert på innsamlete og anonymiserte data fra mange leverandører innen alle produksjonsledd i solcelleindustrien, fra silisiumleverandører til de som setter sammen ferdige solcellepaneler og større installasjoner på solkraftverk. Rapporten inneholder både data om nå-situasjonen, i tillegg til frampek om utviklingen videre, ti år inn i framtiden. Tallene vi viser til i denne artikkelen er hentet fra den 13. utgaven av rapporten, publisert i mars 2022.

Den første spådommen vi leter opp i rapporten, er hva bransjen tror om utviklingen til basisen i solceller – selve silisiumwaferen. Som nevnt innledningsvis yter multikrystallinske solceller noe dårligere enn monokrystallinske. Grunnen til dette er at de multikrystallinske består av mange silisiumkrystaller, og overgangene mellom dem gjør det litt vanskeligere for elektronene å flyte fritt. Monoceller har ikke disse overgangene, og dermed flyter elektronene lettere til elektrodene utenpå cellen. Dette gjør at monoceller gir mer strøm. Samtidig har monoceller tradisjonelt hatt dyrere råvarer på grunn av svært høye renhetskrav, og en mer komplisert produksjonsprosess. Produsentene har også vært nødt til å se en del materialtap i prosessen mellom en rund ingot og en nær firkantet wafer. De senere årene har effektiviteten i produksjonen av monokrystallinsk silisium imidlertid økt kraftig, og derfor har produksjonskostnadene gått tilsvarende ned. Dette gjenspeiler seg i markedsandelen nå, og prognosene framover:

OMVELTNING: I 2021 hadde multikrystallinske wafere en global markedsandel på 13 prosent. I 2029 ventes den redusert til 1 prosent, og i 2032 forventes det at det kun er monokrystallinske wafere på markedet. (Kilde: Vdma.org)

P-type og N-type?

Den oppmerksomme leser vil reagere på at det er to, og ikke en, type monokrystallinsk sillisiumwafer i grafen over. Fram til nå har vi kun snakket om én type, men verden er selvsagt ikke så enkel.

Når en silisiumingot produseres, tilsettes et tilleggsstoff i små mengder for å påvirke de elektriske egenskapene til silisiumet – doping. Tradisjonelt ble grunnstoffet bor brukt til dette, mens i nyere tid har grunnstoffet gallium nesten fullstendig overtatt. Når et av disse stoffene brukes til doping av silisiumet, så får krystallene én ledig elektronplass, og det medfører at de tiltrekker seg elektroner, i praksis en positiv lading. Dette omtales som en P-type wafer. Deretter påføres et tynt lag med silisium som er kraftig dopet med grunnstoffet fosfor, som har ett elektron mer enn silisium. Derfor avgir det lett elektroner, og fungerer i praksis som det er negativt ladet. Det er en N-type silisium. Til sammen er disse en P-type solcelle, fordi det er mye mer P-type enn N-type i designet.

En N-type solcelle er bygd opp motsatt. Selve waferen, kjernen i solcellen, er fosfordopet, og derfor negativ. Oppå påføres et tynt lag galliumdopet silisium som er positivt ladet, for å lage solcellens P-N-overgang. Grunnen til at vi skiller på disse to typene, som tross alt består av de samme stoffene, er at de har forskjellige egenskaper.

N-type solceller er mer effektive, først og fremst fordi de ikke sliter med et fenomen som heter «Light Induced Degradation» – LID. LID gjør at cellens effektivitet reduseres som en følge av lyspåvirkning, og det var av denne grunnen produsentene gikk fra bor til gallium for dopingen. En P-type celle vil miste 1 til 3 prosent av effektiviteten i løpet av de første dagene og ukene etter installasjon. Det er også andre faktorer som P-type sliter med, men som N-type enten ikke har, eller har i mye mindre grad. Monokrystallinske N-type solceller har en typisk effektivitet på 19 til 20,5 prosent.

Grunnen til at P-type har vært dominerende fram til nå, er historisk: Solceller ble først brukt i noe omfang i romfart, og da viste det seg at P-type celler var mer motstandsdyktige mot strålingen som finnes ute i rommet. Da solceller senere ble mer utbredt nede på jorda, fortsatte bare bruken av P-type også der. I tillegg var P-type både enklere og billigere å fremstille, blant annet fordi ren fosfor, som N-type bruker, er et veldig reaktivt og brennbart materiale. Dermed fikk P-type en lavere utsalgspris, og da ble de det foretrukne valget. I dag er forskjellen i produksjonskostnader lavere, og da gjør den høyere effektiviteten at N-type celler forventes å ta en mye større plass i markedet.

Nærmere grensen

For en solcelle som er basert på en enkelt P-N-overgang lagd av silisium er den teoretiske maksimale effektiviteten cirka 32 prosent. Som vi ser er det et stykke mellom effektiviteten på 15 til 19 prosent i de tradisjonelle solcellene, og den maksimale teoretiske effektiviteten på 32 prosent. Det er denne avstanden både forskerne og leverandørene av solceller forsøker å gjøre mindre, ved hjelp av en rekke forskjellige teknikker. Resultatet er mer avanserte solceller som har høyere effektivitet, som i praksis viser seg som solcellepaneler med samme effekt på et mindre areal, eller høyere effekt med samme areal.

Det er en rekke årsaker til at solcellene ikke yter teoretisk maksimum, selv om sola skinner fra skyfri himmel, og solcellene er innstilt slik at lyset kommer vinkelrett inn i dem – altså perfekte, optimale forhold.

Den største og viktigste årsaken er spektrumtap. Det er slett ikke all energien i sollyset som lar seg utnytte av en silisiumbasert solcelle. Når vi ser på alle bølgelengdene i lyset, så er det bare 44-48 prosent av det som er brukbart. Dette er den aller største kilden til energitap. I tillegg vil de følgende problemene også redusere elektrisitetsproduksjonen i cellen:

  • Varmeutstråling: Når solcellen treffes av sollys, så vil den varmes opp, og noe av energien som treffer den vil bli til varmeenergi som stråler ut av cellen. Dette fenomenet omtaler fysikerne som «sort stråling». I Shockley–Queisser-kalkylene utgjør dette omlag 7 prosent av all energien som treffer cellen, når den holder romtemperatur.
  • Rekombinering: Det er det som skjer når frie elektroner og hull slår seg sammen igjen inni materialet i cellen. Altså at de ikke har rukket å bli adskilt i hver sin sone i cellen, og elektronene har blitt ledet på yttersiden av cellen, der vi utnytter dem. Rekombinasjon skjer både inni selve cellematerialet, men særlig på overflatene av cellen.
  • Refleksjon: Om noe av sollyset ikke når inn i cellen fordi det reflekteres ut fra overflaten av panelet, så vil selvsagt ikke det reflekterte lyset bidra til strømproduksjon.
  • Blokkering: Busbar-ene og de tynne metalltrådene som samler elektronene på forsiden av solcellen utgjør en hindring der sollyset blir blokkert fra å komme seg inn i cellen. Dette medfører et tap av en andel av solenergien som treffer cellen.

Denne listen er ikke uttømmende, men viser de fleste og viktigste kildene til effektivitetstap i en solcelle.

DOMINERER: Passivisering av bakoverflaten til solcellene ved hjelp av PERC/PERL/PERT/TOPCon-teknikkene er og kommer til å være den dominerende solcelleteknologien de neste ti årene. Samtidig kommer mer avanserte teknikker inn og vokser langsomt i perioden. (Kilde: Vdma.org).

PERC – Passivisering mot rekombinering

Helt ytterst på overflatene til solcellen er ikke krystallstrukturen perfekt. Materialet må jo stoppe noensteds, og akkurat i overflaten er krystallene kuttet rett av. Det betyr at der er det mange ledige plasser i krystallstrukturen for både elektroner og hull. Det er derfor det er særlig mye rekombinering på overflatene av solcellene, men det lar seg gjøre noe med.

Den første måten denne ble løst på, var ved hjelp av «Back Surface Field» – BSF. Det er et sjikt med ekstra kraftig dopet silisium av samme type som selve waferen. Overgangen mellom dette sjiktet og waferen fungerer so en P-N-overgang, og setter opp et elektrisk felt mellom dem. For en P-type celle blir det altså ekstra kraftig positiv lading bakerst, og feltet som dannes støter elektronene vekk fra overflaten på baksiden av cellen.

Senere har solcellene fått påført et såkalt passiviserende lag på overflatene, og da vil de ledige plassene på kanten av krystallstrukturen fylles, og dermed kan ikke frie elektroner og hull rekombineres der. I stedet trekkes de mot elektrodene til cellen, der de kan rekombineres kontrollert, etter at elektronene har passert gjennom den eksterne kretsen der vi har nyttiggjort oss dem.

I tillegg til passiviseringen kan dette laget også bidra til høyere produksjon av frie elektroner. Det er fordi lys som har passert gjennom cellen uten å treffe noen elektroner vil reflekteres tilbake av belegget på baksiden av cellen. Dermed får dette lyset en ny sjanse til å treffe elektroner i cellematerialet, og det vil frigjøre flere elektroner. Til sist vil det reflekterte lyset i mindre grad varme opp metallet underst i cellen slik at forringing av effekten på grunn av forhøyet temperatur blir redusert.

Den markedsledende solcelleteknologien nå i slutten av 2022 er basert på denne teknikken. PERC – «Passivated Emitter and Rear Cell» bruker et passiviserende og reflekterende sjikt nederst i cellen for å få den til å produsere flere frie elektroner og kraftig redusere rekombinering på den bakre overflaten til cellen. Etter at disse lagene har blitt påført cellen blir det frest eller laserskåret spor i disse sjiktene, slik at elektrodematerialet får god kontakt med silisiumet inni cellen. Det er også vanlig å påføre kontaktene i sporet et kraftig dopet silisiumlag, som tiltrekker seg hull og frastøter elektroner.

PERC er ikke fryktelig mye dyrere enn tradisjonelle solceller, og det er derfor denne teknologien er markedsledende i dag. Teknikken krever ikke spesielt dyre eller sjeldne materialer, og solcellefabrikkene trenger heller ikke en veldig kostbar oppgradering av produksjonslinjene for å gå fra å produsere tradisjonelle solceller til PERC.

Nøkkeltallene for celleeffektivitet viser hvor mye PERC forbedrer tradisjonelle solceller: Multikrystallinske solceller øker effektiviteten fra 15-18 prosent til 17-19.5 prosent. Monokrystallinske celler går fra 16.5-19 prosent til 17.5-21 prosent effektivitet.

HJT kombinerer med tynnfilm

PERC-celler så dagens lys i 1989, mens en enda mer effektiv teknikk ble oppfunnet noen år tidligere: Solceller med flere P-N-overganger. Dette ble også beregnet i Shockley–Queisser-kalkylene. Om vi har en celle som består av mange lag av P-N-overganger, så vil grensen på 32 prosent kunne overskrides. En teoretisk celle med uendelig mange lag har en grense på 86,8 prosent, om sollyset i tillegg er konsentrert.

Praktiske celler med tre lag er på engelsk kalt «Heterojunction cells», forkortet HJT. Dette var en teknikk som Panasonic opprinnelig hadde patent på, men etter at den utløp har flere fabrikanter jobbet med denne teknologien, blant annet norske REC Solar.

Konstruksjonen av HJT-celler er forskjellig fra de tradisjonelle cellene med to lag krystallinsk silisium. I midten finner vi en monokrystallinsk N-type, altså negativt ladet, wafer, men i stedet for å smelte på et P-type sjikt på toppen, brukes i stedet et tynnfilm-sjikt både på toppen og bunnen av cellen. Dermed oppnår vi en kombinasjon som yter bedre enn begge komponentene hver for seg.

Tynnfilm solceller er ikke basert på krystallinsk silisium, i stedet har vi tynne sjikt med fotovoltaiske materialer som er avsatt på et materiale som holder på dem. Tynnfilm-celler kan ha 1/300-del av tykkelsen til tradisjonelle krystallinske celler, men effektiviteten er også lavere. Avhengig av hvilke materialer som er brukt, vil tynnfilm-celler ha en effektivitet alene fra 6-7 til 11-12 prosent.

Fordelen med tynnfilm-celler er at de er rimelige å lage og er fleksible, slik at de kan legges på en krum eller bølget overflate. Ulempen er at de mest effektive variantene består av giftige eller sjeldne stoffer, mens de som er lagd av amorf silisium, som ikke er miljøskadelig, har mindre enn 10 prosent effektivitet. De fleste av oss har sett tynnfilm-celler på små produkter som ikke trenger mye strøm, som kalkulatorer og små led-baserte batterilamper.

Å kombinere tynnfilm og en krystallinsk wafer gir flere fordeler. For det første gir tynnfilmen en overlegen passiviseringseffekt, som gjør at rekombinering på yttersidene er redusert til et absolutt minimum. I tillegg utnytter de tre lagene forskjellige frekvensområder av sollyset, slik at en større andel av det vil slå løs flere elektroner i de forskjellige lagene i cellen. HJT-designet åpner også for tosidige solcellepaneler, der lys kan trenge inn fra begge sidene av panelet. Dette er særlig aktuelt for solkraftverk i ørkener, på snø og andre reflekterende overflater.

Resultatet av dette designet er en solcelle med forbedret effektivitet. Monokrystallinske N-type celler med HJT-design har en effektivitet på 19 til drøye 22 prosent. De tåler også store temperatursvingninger, særlig med tanke på overoppheting som reduserer effekten i alle solceller. HJT-paneler har i tillegg lang levetid og en lav årlig reduksjon av effektiviteten. For eksempel garanterer REC Solar at deres toppmodell REC Alpha Pure-R minst skal ha 92 prosent effektivitet etter 25 år. Til sammenligning er det ikke unormalt å se PERC-baserte paneler med en tilsvarende garanti på mellom 80 og 85 prosent. Dette gir naturligvis en stor forskjell på solcellens samlete strømproduksjon gjennom hele levetiden.

Å produsere HJT-celler medfører ikke en spesielt avansert produksjonslinje, og amorf tynnfilm krever lavere temperaturer enn tradisjonelle celler. Dette gjør at det ikke er spesielt dyrt å produsere HJT. I dag koster likevel et HJT-basert solcellepanel mer enn de rimeligste, antakeligvis forankret i den høye effektiviteten og levetiden. Prisene er imidlertid forventet å gå ned i takt med salgsvolumene, og i VDMA-rapporten forventes markedsandelen til disse panelene å øke fra fem prosent nå i 2022 til 20 prosent i 2032.

Kommende celledesign

Det finnes også andre solcelledesign som helt nylig, eller er like om hjørnet, på markedet. Disse har ikke i skrivende stund tatt noen stor plass på markedet, men de er bevist effektive og mulige å produsere for en fornuftig penge, slik at de forventes å komme på markedet de nærmeste årene.

Solceller med bare bakkontakter er en slik teknikk. Dette er altså celler som har begge elektrodene på baksiden, slik at fronten er helt fri for busbar-er og de tynne metalltrådene mellom dem som samler opp elektroner. Dette gjør naturligvis at hele frontarealet produserer strøm, siden det ikke er noe som skygger for innslag av solstråler. Dette øker effektiviteten til cellen. I tillegg vil panelene som bruker slike celler bli mer arealeffektive, siden det ikke er nødvendig med mellomrom for å koble overside til underside i seriekoblingen.

IBC – «Interdigitated Back Contact» – er den vanligste varianten av celler med kun bakkontakter nå. Disse solcellene bruker en N-type wafer der elektronene skal frigjøres av sollyset, og så har de striper av vekslende N-type og P-type silisium som er kraftig dopet på undersiden. Disse stripene vil «sortere» frie elektroner og hull fra waferen, siden de har motsatt lading og tiltrekker/frastøter sine respektive ladete partikler. Under dette ligger kontaktene, som er formet slik at de er i forbindelse med alle stripene på undersiden, samtidig som at de ikke er i kontakt med hverandre. En gunstig bi-effekt av å løse koblingen slik, er at det samtidig er et blankt metall-lag underst, som kan reflektere lys som ikke har truffet noen elektroner, tilbake inn i cellen. Dette øker også effektiviteten til cellen. Til sist fungerer kontaktlaget også som forsterking av cellen, som dermed blir mindre utsatt for mekaniske påkjenninger. Dette øker levetiden til cellene.

Den største ulempen ved IBC-celler er at de er kompliserte og dyre å produsere. Dette gjenspeiler seg naturligvis i prislappen. Effektiviteten til denne solcelletypen er noe bedre enn for HJT-celler; vanligvis oppgis effektiviteten i området 20 opp til cirka 24 prosent.

Den siste solcelletypen i VDMA-studien fram mot 2032, er det de omtaler som «Si-tandem-celler». Disse bruker mineralklassen perovskitter, som har en spesiell krystallstruktur som er lett å fremstille, og som bærer elektriske ladninger. Dette gjør dem egnet i solcellesammeneheng, og egenskapene gjør at ytelsen til solcellene kan forbedres kraftig. Selskapet Oxford PV har lagd solceller som består av en HJT-celle med et lag av perovskitter på toppen. Dette designet satte ny verdensrekord i effektivitet i desember 2020, med 29,52 prosent. Disse solcellene kaller Oxford «tandem-celler», og ifølge VDMA-rapporten vil disse dukke opp med en markedsandel på én prosent fra 2026.

Bedre busbar

I tillegg til solcelledesignene vi har presentert i denne artikkelen, driver fabrikantene med flere andre effektivitetstiltak. For eksempel jobber mange med et elektrisk ledende antirefleksbelegg TCO, «Transparent Conductive Oxide». Dette belegget fungerer altså både som antirefleksbehandling på solcellen, i tillegg til at det leder elektronene på toppen av cellen fram til busbar-ene og fingrene deres. Det gjør det mulig å optimalisere tettheten på disse koblingspunktene, slik at skyggeeffekten blir så liten som mulig, samtidig som at alle elektronene blir høstet. TCO er som regel i bruk på HJT-celler.

Selve koblingene blir det også jobbet med. Busbar-ene og fingrene, de tynne trådene som er tilkoblet dem, er vanligvis lagd av sølv, og påført ved hjelp av en printingteknikk. Til å begynne med var disse flate bånd, med en tykkelse tilpasset strømmen de skulle bære. Problemet med dette er at de skygger mer enn ønskelig, og lyset som treffer dem reflekteres rett ut igjen. Den første forbedringen på disse var å lage dem runde, slik at noe av lyset reflekteres videre ned i cellen. I nyere tid har trådene fått et presist sikksakk-mønster preget i seg, som reflekterer lyset tilbake opp i det ytre beskyttelsesglasset i en slik vinkel at alt sendes tilbake ned i cellen. Dette teknikken kalles «Light Harvesting Strings», LHS.

Leverandørene jobber også med å optimalisere tykkelse og antall på busbar-ene, slik at de fanger opp maksimalt med elektroner, samtidig som at de skygger så lite som mulig. Dette har gjort at det i dag finnes et stort antall forskjellige design på busbar-ene. I VDMA-rapporten opererer de med fire forskjellige klasser av busbar-løsninger, der alle design med 12 eller flere omtales som MBB, «Multibusbar technology», som vi for eksempel finner på REC Solars HJT-celler.

Solceller oppsummert

Forskjellige typer solceller av i dag har mange likheter og noen ulikheter. Dette er en følge av fremskrittene i forskning og utvikling, der både materialene og måten vi bruker dem på har stadig blitt forbedret. Dette gjør at vi blir servert en rekke forskjellige produkter på markedet.

I denne artikkelen har vi brukt effektivitetstallene for å skille mellom variantene, men det er viktig å huske at effektivitetstallet ikke må være eneste valgkriterium når man skal velge mellom to forskjellige solcellepaneler – to forskjellige paneltyper som begge produserer 350 Wp vil gjøre det, uavhengig av hvilken basisteknologi som er brukt i cellene. Om det er ett eldre design mot et helt moderne design, vil den synlige forskjellen være hvor store panelene er. Og prislappen, selvfølgelig.

Slik markedet ser ut nå og de neste syv-åtte årene, så kommer de fleste som innhenter flere tilbud på solceller til å sitte og sammenligne forskjellige tilbud basert på samme basisteknikk – PERC-celler.

Vi mener det likevel er viktig å forstå informasjonen man blir presentert av leverandørene, slik at man gjør informerte valg selv. Det vil også bidra til å velge «riktig» for sine behov, og de er ikke nødvendigvis like for alle som lurer på skaffe solcellepaneler. For eksempel kan totalproduksjonen over hele levetiden være et viktig kriterium for noen, og da er det nyttig å forstå levetid og redusert produksjon over tid. Det skal vi se på i neste del at denne artikkelserien, når vi skal se nærmere på strategier for å lage solcelleanlegg som bruker cellene vi har sett på i denne artikkelen.