Solenergi – den utømmelige energikilden

Prosjektoppgave i faget Kjemi og Miljølære (FOA 052) om Solcellepanel og silisium. Skrevet våren 2009 av Eirik Hordnes, Asbjørn Stoveland og Kjetil Drønen.

Innholdsfortegnelse

Innledning
Solenergi
- Potensialer og bruksområder
Silisium
- Produksjon av rent Silisium
Solcellepanel
- Den fototelektriske effekt
- Virkemåte
- Begrensninger i silisiumsolcellen
- Alternative solceller
- Virkningsgrad
- Miljø
- Fremtidens solceller
Konklusjon
Kildehenvisning

Innledning

Som prosjektoppgave i faget foa052 (Kjemi og Miljø) på HIB tar vi for oss temaet solenergi med utdypning i kjernen til solcelleindustrien: Silisium. Gruppens medlemmer har tidligere jobbet med temaet solenergi sammen og er interessert i videre utdypning. Prosjektoppgaven skal være spesielt rettet mot kjemiske og/eller miljørettede problemstillinger som samtidig har interesse og relevans for den studieretningen som studenten tilhører.

Problemstillingen for oppgaven er «Solcellen – Verdens redning eller en unødvendig utgiftspost?» Vi ønsker å gi en beskrivelse av solenergi, solceller og silisium og vi ønsker å finne svar på viktige spørsmål om solenergi og silisium.

- Hvorfor er akkurat silisium så viktig i solcellen?

- Hva er egentlig en solcelle?

- Er bruk av slike den beste måten å utvinne energi på?

- Kan vi klare oss med kun energi fra solen?

- Kan vi det i Norge?

- Hvor mye energi kan vi hente fra solen?

- Kan dagens silisiumteknologi forbedres i vesentlig grad?

- Hvor god tilgang har vi egentlig på silisium?

Dette er eksempler på spørsmål vi ønsker å finne svar på.

Det er stort potensiale for utvikling av solenergi i Norge og bedrifter som baserer seg på denne utviklingen er mulige arbeidsplasser for mange ingeniørstudenter. Det er de siste årene blitt et økende fokus på miljø og hvordan vi skal kunne gi jordens befolkning nok tilgang på energi uten å ødelegge miljøet. Denne problemstillingen ønsker vi å sette oss inn i, og fordype oss i. Vi tror at solceller er en viktig brikke i spillet og vi ønsker å lære mer om disse.

Solenergi

Solen har en lang historie bak seg; hele 5 milliarder år sies det. Selv om vi ikke skal bevege oss så langt tilbake, skal vi prøve å få dekket det mest relevante bak utviklingen til det som i dag kalles solcellepanelet. Mennesker har opp igjennom alle tider funnet det logisk å utnytte den energien som solen sender ut, med noen metoder mer banale enn andre. De første beskrivelsene av solenergibruk stammer fra førhistorisk tid.

I 1839 gjorde Alexandre-Edmond Becquerel, faren til den kjente Henry Becquerel, en viktig oppdagelse; nemlig den fotoelektriske effekt. Dette er fysikken som ligger bak solcellene. Becquerel så at sollyset kunne produsere en svak strøm i visse materialer, slik som elektroder i en elektrolytisk oppløsning. Denne viktige oppdagelsen sparket igang det som nå blir betegnet som solcellealderen som vi kommer mer innpå senere i oppgaven.

Solen er en enorm energikilde. Ikke bare det; den er også opphavet til alle andre eksisterende energikilder på jorden. Solenergien representerer dermed den eldste form for energi, og mye kan tyde på at den blir også den viktigste ressursen med tanke på det globale energispørsmålet. Solenergien har opp igjennom hele verdenshistorien blitt anvendt på ulike måter, den har blitt satt stor pris på og blitt sett på som en livgivende kilde. Det fine med solenergien er at den er lett tilgjengelig og at den innehar et enormt potensiale. Hvor mye solinnstråling som treffer jordoverflaten varierer utifra hvor man er på kloden og når på året det er. Utenfor jordens atmosfære har de innstrålte solstrålene en intensitet på jevnt over 1367 W/m2 pluss minus 3%. De små variasjonene i solinnstrålingen kommer av at avstanden mellom Solen og jorden varierer igjennom årets løp. Om lag 30 prosent av den gjennomsnittlige solinnstrålingen reflekteres bort innen den når frem til bakken, lyset blir altså svekket i atmosfæren slik at da ca. 1000 watt/m2 når overflaten når solen er i senit. Den solenergien som når frem til jordoverflaten består av direkte og diffus innstråling. Den direkte solinnstrålingen er den som kommer direkte fra solen, mens den diffuse solinnstrålingen kommer fra alle retninger og består av sollys som er spredt rundt omkring i atmosfæren. På en klar dag er mesteparten av solinnstrålingen direkte, mens på en overskyet dag er det nesten bare diffus innstråling.

Potensiale og bruksområder
Solen sender ut store mengder med energi mot jorden, disse mengdene med solstråler innehar et enormt potensiale. Innstrålingen fra solen til jordkloden hvert år er 15 000 ganger større enn den energimengden som menneskene bruker og mange ganger større enn jordens totale energireserver. I tillegg er solenergien noenlunde jevnt fordelt over hele jorden, med noen små variasjoner. For å trekke frem noen motpoler: I Sahara er innstrålt solenergi ca 2500 kWh/m2 per år mens det er ca 700-1100 kWh/m2 innstrålt per år i Norge.

Professor Georg Hagen ved NTNU sier at «Faktisk kan en dekke hele verdens energibehov ved «bare» å belegge ca 0.1% av verdens ørkenområder med solceller.» Idag ser vi stadig mer og mer hvilke muligheter det er for å utnytte disse solstrålene på en effektiv og billig måte.

Solens potensiale er uten tvil enormt, noe som kort forteller oss dette er at den solenergien som når jorden på en time er det samme som hele jordens befolkning anvender på et helt år. Det som gjelder nå er å finne ut hvordan vi skal kunne ta ibruk denne energien.

Aktuelle problemstillinger idag går utpå hvordan vi kan utnytte naturressurser uten å skade eller sette turistlandskap ut av spill ved å bruke så lite som mulig landareal til opprigging av solpaneler, unytte solenergien mest mulig effektivt ved å få fremstilt silisiumen i solceller så ren som mulig, lage solceller så billig som mulig for å på denne måten å anvende pengene på andre energibesparende og miljøvennlige tiltak. Noen av solenergiens bruksområder og potensielle bruksområder listes opp under.

Nåværende anvendelser

- Oppvarming av bygninger med passiv og aktiv solvarme

- Bruk av dagslys til erstatning for kunstig lys

- Oppvarming av tappevann

- Kjøling

- Produksjon av prosessvarme

- Solkoking

- Produksjon av elektrisk kraft

Andre anvendelser under forskning

- Produksjon av hydrogen og andre energibærere. Ved høy nok temperatur og nærvær av egnede katalysatorer kan vann spaltes i hydrogen og oksygen. Dersom prosessen kombineres med en annen prosess som absorberer oksygenet, kan man få hydrogen som produkt.

- Reformering av naturgass til karbonmonoksid og hydrogen.

- Produksjon av metaller som aluminium og sink.

- Produksjon av nanostrukturelle materialer i karbon.

- Gjenvinning av materialer fra miljøfarlig avfall. Nedbryting av organiske giftstoffer i vann.

Silisium

Før vi utleder om solcellepanelet er det viktig å forstå at i dag er silisium det viktigste stoffet innen denne type teknologi. Grunnen til dette vil bli beskrevet senere. Først vil det nå følge en kort utledning om grunnstoffet silisium for å gi en viss forståelse for hvorfor silisium har de egenskapene det har.

Silisium (Si) er et kjent grunnstoff i kjemien. Ordet kommer fra det latinske ordet Silex som betyr flintstein. Si har atomnummer 14 i det periodiske system, og befinner seg i gruppe 14, periode 3. Det består av 14 elektroner, fordelt på 3 energinivå med henholdsvis 2 (energinivå 1), 8 (energinivå 2) og 4 (energinivå 3) elektroner i de ulike skallene.

Silisium er ett av de få grunnstoffene som er et halvmetall. Det vil si at det har en blanding av metalliske og ikke- metalliske egenskaper. Det kalles også en halvleder. Det er ikke en god elektrisk leder i ren form, men ved tilsetning av andre grunnstoffer (doping), som fører med seg overskudd eller underskudd av elektroner, kan det lede strøm. Grunnen til dette er at halvledere har et ledig elektron i sitt ytterste skall og dette blir brukt til å binde seg med naboatomet. Dermed er det ingen elektroner til overs som kan flyte rundt fritt. Ergo kan det ikke oppstå strøm av elektroner uten å tilføre høy energi i form av varme eller ytre spenning. Utenom silisium finnes det 6 andre grunnstoffer som er halvmetaller.

Silisium har en atomvekt på 28.0855 u (1u = 1.66053886 x 10^-27 kg) og en atomradius på 110 x 10^-12 m. Det finnes 3 naturlige stabile isotoper innen silisium. ^28 Si (92,27%), ^29 Si (4,97%) og ^30 Si (3,1%). I tillegg går det an å fremstille 20 kunstige isotoper.

siliconstructure Krystallstrukturen til silisium er som i diamant og germanium, diamantstruktur. Den består hovedsakelig av FCC-gitter, men med en liten vri. Vi vet fra før at FCC-gitter er en kube med 8 atom i hjørnene (1 atom pr hjørne) og en på hver sideflate. Det som er spesielt med diamantstrukturen er at fra 4 av hjørneatomene (2 oppe og 2 nede) er det en sammensveising med 4 ekstra atom inne i kuben, der hver av de igjen er sveiset sammen med 3 av sideflateatomene. På figuren til høyre kan disse 4 ekstra elektronene sees i hvert sitt oransje felt. De øvrige blå elektronene er stilt som de ville gjort i en vanlig FCC- struktur.

Silisium er etter oksygen det grunnstoffet som er mest av på jorden. Ca 26% av jordskorpens masse består av silisium. Det befinner seg i bergarter, og er som oftest sammen med oksygen, Silisiumoksid (SiO2). Dette kalles kvarts. Silisium blandet med andre stoffer blir kalt for silikater.

Produksjon av rent silisium

Silisium utvinnes som regel fra kvarts ved bruk av kull, og må gå gjennom en prosess i smelteovner for å bli skilt fra de andre stoffene. Det silisiumet vi har bruk for i dag er som oftest det som er opp mot 100% rent. Å rense silisium for å gjøre det rent er en prosess som krever store mengder energi og nøyaktig teknikk og denne prosessen er en flaskehals for tilgjengeligheten av silisium. Det er per i dag få bedrifter som produserer silisium rent nok til bruk i solceller. Det har hittil ikke vært et stort nok marked for solcellene til at solenergibedrifter kan påta seg den dyre prosessen.

En løsning som har vært og er mye brukt er å hente silisium fra gammelt utbrukt datautstyr. Dette har vært en god løsning med tanke på gjenvinning og det faktum at kvaliteten på silisiumet er relativt god da det ofte er høyere krav til renhet i silisiumet brukt i datakomponenter enn i solceller. Men denne tilgangen er selvsagt veldig begrenset og fremover vil det stilles høyere krav til tilgjengelighet av silisium.

Selve renseprosessen er som nevnt energikrevende og dyr. Er ikke silisiumet rent nok vil ikke solcellene være effektive nok fordi silisium må være tilnærmet rent for å ha de nødvendige egenskapene. Tradisjonelt skjer denne prosessen ved å fordampe silisiumet og deretter kontrollert størkne det. Dette krever et sted mellom 75 og 130 kilowattimer energi per kilo silisium produsert.

Etter at silisiumet er renset for fremmedelementer gjenstår det å omforme strukturen fra polykrystallinsk (har korngrenser i materialet) til monokrystallinsk (er uten korngrenser) silisium. MEMC i Texas USA har beskrevet sin metode for å gjennomføre denne prosessen. Silisiumet varmes opp til rundt 1400 grader C. Ovnen dette foregår i er fylt med argon for å holde oksygen ute. Dette er viktig for å holde silisiumet rent da oksygen gjerne binder seg til silisiumet i prosessen for å danne kvarts. Et stykke rent silisium vil dreie i motsatt retning av resten av den smeltede massen og vokse på silisiumet som skilles ut. Smeltepunktet til silisium er rundt 1414 grader C og er siden temperaturen holdes like under dette vil silisiumet mykne og samtidig størkne på stykket i midten. Ved slutten av prosessen er en stor sylindrisk bit av monokrystallinsk silisium produsert.

Når selve stoffet er blitt produsert og fått den renheten vi er ute etter må vi dele silisiumet opp i tynne skiver som skal brukes i solcellen. Disse tynne skivene kalles gjerne wafere. Skivene skjæres ut ved hjelp av en båndsag som bruker en svær tynn metalltråd. En typisk tykkelse for disse oppnådde skivene er 2/3 mm tykk. Det er disse skivene som er kjernen i solcellepanelet. Videre behandling vil bli gjort med waferene før de kan plasseres i panelet. Denne behandlingen kalles doping og vil bli nærmere forklart senere.

Solcellepanel

Det er flere måter å utvinne solenergi til elektrisk strøm. For eksempel kan solstrålene varme opp beholdere med vann. Dette fører til vanndamp og trykk i beholderne som kan utnyttes i turbiner. Den viktigste måten å produsere elektrisk strøm direkte fra solstråler er derimot solcellepanel. Solcellepanelet er, som navnet tilsier, sammensatt av mange solceller. Solcellen benytter seg av den fotoelektriske effekten. Albert Einstein fikk Nobels Fysikkpris for å ha forklart denne effekten i 1905.

Den fotoelektriske effekten

Den fotoelektriske effekten er grunnlaget for bruk av solcellen. Effekten er når et metall gir fra seg elektroner under påvirkning av lys. Når lyset treffer en metallplate (solcellepanelet), frigjøres elektroner. Utnyttelse av dette vil bli beskrevet mer nøyaktig under «virkemåte».

222px-Photoelectric_effect Fotoner i lyset «slår løs» elektronene i metallet. Dette blir vist på figuren. Bildet er hentet fra Wikimedia Commons og er en delt fil mellom alle Wikimediaprosjekter. Energien til fotonene må riktignok ha en viss størrelse. Frekvensen til lyset må være minst like høy som grensefrekvensen til metallet. Dersom lys med lavere frekvens treffer metallet, vil det ikke bli frigjort elektroner selv om vi øker lysintensiteten. Lysfrekvensen er derfor meget viktig.

Fotoner og elektroner «samarbeider» parvis. Et foton treffer et elektron og overfører hele sin energi til det ene elektronet. Dette elektronet mottar kun energi fra det bestemte fotonet. Energien fra fotonet må være større enn energien som skal til for å rive løs elektronet. Siden bare ett foton kan gi energi til ett elektron, har ikke lysintensiteten noe å si for om den fotoelektriske effekten oppstår. Frekvensen er avgjørende fordi energien per foton er avhengig av frekvensen. Derimot har lysintensiteten har derimot noe å si for hvor mange elektroner som blir frigjort per tid når den fotoelektriske effekt først har inntruffet.

Virkemåte

Solceller består av en plate som blir bestrålt og omdanner fotoner (solenergi) til elektrisitet som tidligere nevnt. Dette skjer vanligvis ved å bruke en halvleder i cellen. Det er mange alternativer i bruk men den typiske solcellen bruker krystallinsk silisium. Den tradisjonelle solcellen fungerer slik:

For at elektroner kan strømme gjennom solcellen og den ytre kretsen, må solcellen ha en positiv og en negativ side. Dette lages ved å dele silisiumet i to: En positiv del og en negativ del. Dette gjøres ved å dope silisiumet. Den siden som skal være positiv påføres bor. Bor har et elektron mindre i det ytterste skallet enn silisium. Bor binder seg sammen med Si på samme måte som Si- atomene seg imellom men siden bor mangler et elektron skaper dette er hulrom. Disse hulrommene kan man si flytter på seg slik som elektroner gjør. Den andre siden påføres fosfor. Fosfor har et elektron mer i det ytterste skallet enn silisium. På samme måte som bor vil fosfor binde seg sammen med Si på samme måte som Si- atomene seg imellom. I tillegg vil vi få et elektron til overs og dette vil brukes til elektrisk strøm. Dette vil fungere som negativ ladning. Uten å dope silisiumet med bor og fosfor ville vi ikke fått denne effekten av en positiv og en negativ side fordi silisium i seg selv leder strøm meget dårlig. Dette er fordi at ytterste elektronskall er halvfullt og sammen med Si- atomene rundt seg vil alle bindinger bli brukt opp uten «frie elektroner» som kan benyttes til elektrisk strøm. Det hadde krevd svært mye energi.

Nå har vi to halvledere. Under en oppvarmingprosess vil de nye atomene diffundere inn i metallet slik at vi får en positiv og en negativ silisiumside. Frie elektroner vil nå flytte seg mot kontaktene på overflaten og vi har fått en solcelle. Den positive/negative overgangen i silisiumet fører til at et elektrisk felt skaper et skille midt inne i materialet. De to lagene legges altså inntil hverandre og elektronene vil skape et elektrisk felt der lagene møtes. Dette skjer ved at elektronene til overs i fosforet vil hoppe over til hulrommene i boret. Når denne prosessen er ferdig vil det altså dannes en barriere i overgangen mellom de to lagene som sperrer for videre flyt av elektroner.

Når solcellen blir bestrålt/truffet av fotoner, vil disse rive løs elektroner fra ene laget til det andre. Veien for elektronet tilbake til plassen sin blir lettere gjennom kretsen enn tilbake gjennom det elektriske feltet i materialet. Slik tvinges altså elektrisk strøm gjennom en krets ved at sollys treffer solcellepanelet. For å hindre at mye av sollyset reflekteres ut igjen uten å bli utnyttet av solcellene, dekkes solcellene av et antireflekterende lag. Solcellene dekkes også av et glasslag som skal beskytte mot elementene.

En celle leverer en spenning på omtrent 0,5 volt. Cellene seriekobles for å få spenningen opp til et mer anvendelig nivå, f eks 12 volt, som er spenningen på bilbatteri og den spenningen mange elektriske apparater benytter seg av. Solcellene seriekobles sammen i et solcellepanel. Det er ingen regel for hvor mange solceller det skal være på et solcellepanel. For å øke spenningen, seriekobles cellene med hverandre og for å øke effekten uten å øke spenningen parallellkobles cellene. Dette er virkemåten for tradisjonell silisiumsolcelle. Det er mange andre typer solceller i bruk men per i dag bruker tilnærmet alle solceller samme prinsipp, altså to halvmetaller eller halvledere som som sammen danner en plate.

Begrensninger i silisiumsolcellen

Det synlige lyset er bare en del av det elektromagnetiske spekteret. Lyset fra solen har ikke bare en, men flere bølgelengder og derfor energinivåer. Den vanlige silisiumsolcellen «plukker opp» bølgelengder innenfor en viss ramme og får ikke med seg alt. En god del av solens stråler eller bølgelengder vil gå rett gjennom solcellen uten å bli utnyttet. Mens disse bølgelengdene ikke har nok energi til å rive løs elektroner, har noen for mye energi og den energien som er til overs går tapt. En måte å fange opp flere bølgelengder skal beskrives senere. Disse to måtene for at energi går tapt fører til mesteparten (rundt 70 %) av energitapet i silisiumsolcellen.

Mengden energi som skal til for å løsrive elektroner fra materialet kalles ofte materialets Band Gap Energy. Det er denne mengden som er minimumsgrensen som ble nevnt. Denne energien blir målt i elektron volt (eV). Man skulle gjerne tro at ved å velge et materiale med lavere BGE (Silisium har ca 1.1 eV) ville vi klart å fange opp mer energi. Desverre hører BGE sammen med spenningen man får ut av solcellen. Elektrisk energi er strøm multiplisert med spenning og velges et materiale med for lav BGE vil vi ikke få ut mer energi likevel fordi spenningen blir for lav. Det er regnet ut en omtrentlig elektronspenning som virker optimal på ca 1.4 eV, altså lavere enn silisium.

Det er flere energitap i solcellen også. Vi trenger metalliske ledere til, fra og i solcellen for å føre elektronene rundt. Bunnen av solcellen kan vi dekke med metall for å ha god ledeevne men desto mer vi gjør det med den øverste delen vil vi sperre mer for fotoner. I det finnes transparente ledere som kan brukes til å løse noe av dette problemet. Vi ønsker heller ikke å plassere lederne kun på sidene av solcellen fordi solcellen er laget av halvledere og ikke ledere, og fører til høy motstand fordi elektronene må «reise langt» i høy motstand og da mister vi energi. Lederne som plasseres i den øverste delen av solcellen kan heller ikke være for tynne ettersom dette vil føre til høyere motstand og igjen tap av energi. Dette er noen av problemstillingene for energitap i solcellene.

Alternative solceller

Hvorfor er det silisium som er mest brukt til solceller? Det er flere svar til det spørsmålet. Som tidligere nevnt er silisium et meget vanlig og tilgjengelig materiale. Silisium har frem til i dag vært det billigste og lettest tilgjengelige alternativet. Det finnes selvsagt alternativer til silisium.

Germanium er et halvmetall eller halvleder slik som silisium. Germanium kan brukes i kombinasjon med silisium eller andre halvledere men har sin hovedoppgave i det som kalles høyeffekt- solceller. Disse er laget for å løse problemer med bølgelengder som ikke blir utnyttet i sollyset. Prinsippet bak høyeffekt- solceller er at materialer blir lagt lag på lag. Hvert lag skal fange opp visse bølgelengder. Den høyeste energien fanges opp øverst i solcellen mens de lavere energiene fanges opp i de nederste lagene. Som navnet tilsier er dette en effektiv måte å fange opp energi fra solen. Germanium ligger i det nederste laget i disse solcellene som gjerne lages med flere elektriske felt.

Et annet material som brukes i høyeffekt- solceller er den kjemiske forbindelsen gallium(III)arsenid. Denne er mer effektiv som del av høyeffekt- solceller enn selvstendig halvleder i en solcelle. GaAs er noe mer effektiv enn silisum men er mye dyrere å fremstille. Det er flere materialer med kjemiske forbindelser som også kan brukes (f eks kobber gallium selenid) men det alle disse foreløpig har til felles er at de ikke er like effektive som silisium og dersom de er det, er de for dyre til å foretrekkes kommersielt.

Høyeffekt- solceller er foreløpig lite utbredt. De er mest i bruk der det er høye krav til mye effekt på liten overflate og der det økonomiske ikke er det viktigste. Et eksempel på bruksområde er romfart, satelitter o.l. En grunn til dette er at germanium er dyrt å fremstille og mindre tilgjengelig enn silisium. Dessuten er germanium veldig skjørt og tåler meget lite i forhold til silisium. Det har hittil vært vanskelig å produsere tynne skiver av germanium på grunn av dette, men høsten 2008 presenterte ingeniører på University of Utah i USA en ny metode å skjære tynne germaniumskiver på som gjør at kostnader går ned og materialet utnyttes mye bedre enn før. Dette gjør at vi kan forvente å se mer til høyeffekt- solceller fremover.

Når det gjelder forholdet mellom pris og effekt er fremdeles silikonbasert solcelle det beste alternativet til solcellepaneler. Det er flere halvledere som kan brukes (f. Eks. Selen) men de få som kan produseres med høyere virkningsgrad enn silisium er ofte såpass mye dyrere at de ikke er gode alternativer. Derimot er det flere prosesser som er forsøkt brukt på silisium for å løse noen av flaskehalsene for å gjøre solceller til en storindustri. Man har produsert amorft silisium for å redusere produksjonskostnader. Man har også prøvd å lage solceller av polykrystallinsk silisium i stedet for monokrystallinsk silisum (som er helt uten korngrenser). Desverre er ingen av disse alternativene like effektive som den produserte silisium tidligere beskrevet. I den kommersielle verden er fremdeles silisium å foretrekke.

Virkningsgrad

Virkningsgrad er et mye brukt ord i forbindelse med solenergi og solceller. Virkningsgraden, altså hvor mye energi vi får ut i forhold til hvor mye energi som treffer solcellen, har økt svær mye siden de første solcellene ble produsert. I dag ligger virkningsgraden rundt 20 %. Det er et stort satsingsområde å øke denne virkningsgraden. Tidligere nevnte begrensninger i solcellen gjør at man har beregnet en teoretisk grense for virkningsgraden til silisiumsolcelle til rundt 30 %.

Den begrensede virkningsgraden gjør at det forskes mye på nye typer solceller som baserer seg på andre teknologier. Skal virkningsgraden til solcellene økes, må vi lære å utnytte flere bølgelengder av solens stråling, for eksempel ultrafiolette stråler og infrarøde stråler. Dersom vi lærte å effektivt unytte disse bølgelengdene, ville virkningsgraden i solcellene økt dramatisk.

En annen måte å tenke på virkningsgrad som er mye brukt av bedriftene er pris/watt i stedet for watt/watt. Dette er fordi at det ikke vil lønne seg å for eksempel bruke 30 % mer effektive solceller hvis dette fører til en prisøkning på 500 %. Høye priser vil være et resultat av vanskelig fremstilling og energikrevende prosesser, noe som også vil gi utslag på miljø. Solceller med virkningsgrad på 8 % er relativt vanlige på grunn av den relativt lave prisen på produksjonen. Hittil er som tidligere nevnt høyeffekt- solceller lite brukt i kommersiell bruk, men mye brukt i romfart og andre steder der effekt per kvadratmeter solcellepanel er en viktig faktor.

Miljø

I bruk er solcellene tilnærmer utslippsfrie og det er lett å tenke at solceller ikke forurenser. Dette er selvsagt ikke helt realistisk. Selve produksjonen av solceller er en energikrevende prosess og fører til en del CO2- utslipp. Drift av solceller er derimot meget enkelt og krever ikke nevneverdige prosesser, så når det skal drøftes miljørettede spørsmål om solcellepaneler er det produksjon som er det riktige å legge vekt på.

Elkem Solar, Norges kanskje største produsent av solcellesilisium, søkte i 2006 om å få produsere 5000 tonn silisium i året. SINTEF har beregnet at i Norge produseres det 2,7 tonn CO2 per tonn silisium produsert. I tillegg vil renseprosessen føre til at kjemikalier slippes ut i havet. Disse vil derimot renses og utredning foretatt av Norsk institutt for vannforskning (NIVA) konkluderer med at dette utslippet ikke vil ha skadelige effekter av betydning for miljøet.

Norge er et land der produksjon av silisium er ideell. Dette er på grunn av den rene energien vi har i utgangspunktet. Kraft fra vannkraftverk er miljøvennlig og ren energi som hovedsaklig driver de energikrevende prosessene som er nevnt til å fremstille rent silisium. Andre land som Kina, Russland og USA har henholdsvis mye høyere CO2- utslipp per tonn produsert silisium. Tross relativt store utslipp for silisiumproduksjon i Norge er dette svært lite sammenlignet med alternative energikilder som gass- og kullkraftverk. Beregninger gjort av Mariska de Wild Scholten ved ECN i Nederland, verdens fremste ekspert på disse typer beregninger, sparer vi omkring 620 000 tonn CO2- utslipp årlig sammenlignet med kullkraftverk og 260 000 tonn sammenlignet med gasskraftverk. Utslippene skal likevel reduseres, lover store bedrifter som Elkem.

Nå skal det nevnes at vi har tilstrekkelige mengder energi i form av vannkraft i Norge. Den store energikrisen som snakkes om er ikke et norsk fenomen. Viktigheten ligger i å delta i verdens miljøproblemer. Energikrisen er et globalt problem og Norge, som har god tilgang til energi og har potensiale til å bli en stor leverandør av solceller, har et ansvar for å delta. De nevnte 5000 tonn silisium som produseres her vil i solrike strøk i sør- europa kunne fungere i solcellepaneler som vil produsere 650 gigawattimer, like mye som kraftverket i Alta.

Hvor lang tid tar det for et solcellepanel å tjene inn igjen all energi som er blitt brukt på å lage den? Et motargument mot solceller har tidligere vært at dette er så lang tid at det omtrent ikke er lønnsomt men dette er ikke tilfelle. For silisiumbaserte solceller er energien tjent inn igjen etter 2 – 4 år. Dessuten varer disse minst 30 år. Dette betyr minst 25 år med miljøvennlig energi. Ergo vil dette lønne seg både økonomisk og miljømessig.

Fremtidens solceller

Fremtidens solceller er et hett tema i vitenskapen i dag. Det jobbes mye for å lage solceller med samme effektivitet men med vesentlig billigere produksjon. Disse kalles gjerne for 2. generasjons solceller. Målet er å lage solceller med høyest mulig energi til lavest mulig pris. Et eksempel på dette er de tidligere nevnte amorfe silisiumsolcellene, som er mye billigere å produsere men med litt mindre virkningsgrad.

Den tredje generasjons solceller kalles de solcellene som forskes på nå. Disse har hovedvekt på virkningsgrad. Dette vil selvsagt gå utover økonomiske fordeler, men målet er selvsagt å kunne bryte igjennom med en supereffektiv solcelle som ikke koster for mye. Dette vil ekskludere silisiumsolceller da disse har begrenset virkningsgrad.

grafikk Det japanske forskningsinstituttet AIST har klart å utvikle en gjennomsiktig solcelle som sies å kunne fange opp UV- stråling og omgjøre disse til energi mens synlig lys passerer tvers gjennom. Om denne teknologien blir en suksess vil hele bygninger kunne kles med disse i stedet for vinduer og gi energi til deler av eller hele bygget.

En svær stor del av sollyset er infrarød stråling. Desverre er det fremdeles en utfordring å kunne hente energi fra denne strålingen. Det er fordi at som tidligere nevnt er energien avhengig av frekvensen og frekvensen til infrarød stråling er lavere enn i synlig lys og UV- lys. Bildet til høyre viser energi og bølgelengde. Fremtidig teknologi håper man kan finne nye måter å hente ut denne energien på. For eksempel har man ved NTNU funnet at ved å legge et belegg på baksiden av solcellen kan det infrarøde lyset reflekteres i det belegget slik at to fotoner kombineres og bølgelengden halveres og dermed er en høyere energi oppnådd og denne kan benyttes.

NTNU har også jobbet for solceller som benytter seg av såkalte kvanteprikker. Bruken av disse vil føre til at det infrarøde lyset vil kunne utnyttes bedre og dette kan føre til virkningsgrader opp mot 50 %.

Noe nytt som også utforskes nå er 3D- solceller. Disse er ment for å fange opp tilnærmet all solstråling som treffer den. Teknologien bygger på nanorør og solcellene består av svær mange mikroskopiske tårn på rekke og rad på cellen. Det er svær lite refleksjon i disse cellene også, noe som gjør at man unngår disse typer energitap. Fotonene fanges mellom disse tårnene og absorberes og slå løs elektroner som igjen vil føre til elektrisk strøm.

Et av hovedproblemene til solcellepanelet i dag er at energien som produseres ikke lagres men må brukes med en gang. Foreløpig er batterier den største metoden for å lagre energi og dette er ikke effektivt nok. Derimot forskes det på å bruke hydrogen som energilagringsmedium ved å produsere hydrogen ved elektrolyse av vann.

Konklusjon

Det er mye mer energi fra solen som treffer jorda hver dag enn det daglige energiforbruket til hele jordens befolkning. Det er teoretisk mulig å forsyne hele verdens befolkning med strøm kun hentet fra solstråler. Skulle Norge kun bruke strøm fra solcellepaneler ville krevd å dekke rundt 900 kvardratkilometer. Dette tilsvarer rundt 0,3 prosent av Norges areal eller 2 ganger Oslo.

Man kan tenke seg hva det hadde gjort for verdens energisituasjon om det ble inngått et internasjonalt samarbeid for å plassere store kraftverk basert på solcellepaneler i øde områder langs ekvator. Selvsagt er slike ideer alltid lettere sagt enn gjort, spesielt med tanke på politikk og økonomi. Kanskje kunne disse ideene kombineres med bistandspolitikk? Det er mange som ikke har tilgang tilgang til annen energi enn å brenne søppel i denne verden. Alternativt vil små arealer med solcellepaneler gjøre underverker for fattige i form av gratis energi fra sola. Men mulighetene for å erstatte fossile energikilder med solenergi er i alle fall enorme. Silisium, som er blant de vanligste grunnstoffene vi har på jorden, er også hovedingrediensen i de vanligste solcellene vi har i dag. Vi har svær god tilgang på silisium. Prosessen å rense silisiumet til den renheten som trengs er derimot en svært energikrevende prosess. Men denne energien som brukes er hentet inn igjen etter bare noen års bruk frittstående ute i solsteiken.

Den største flaskehalsen for utvikling av solcelleindustri i dag er tilgangen til silisium. En annen hindring er kanskje olje- og gassgigantene som i dag sitter med mye makt på markedet. Med en gang vi lærer oss å utvinne silisiumet effektivt vil dette bane vei for solenergi, som i dag dekker svært lite av verdens strømforbruk. Kampen for å lage de mest effektive solcellene er hard, og vi er kanskje ikke langt unna et gjennombrudd som vil gi oss nye og mer effektive solceller som vil gi oss mye mer strøm per kvadratmeter solcellepanel. Norge er en stor aktør i både utvikling og utvinning og kan bli enda mer sentral i tiden fremover, med Elkem, REC, NTNU m.f. I spissen.

Silisium er per i dag fremdeles den viktigste ingrediensen i solcellene og det vil det nok være i svært mange år fremover på grunn av pris og tilgjengelighet. Norge er stor på silisium og utvinner dette med lite utslipp i forhold til andre land som Kina og USA. Vi kan derfor forvente økt satsing på miljøvennlig solenergi forhåpentlig på et globalt plan så vel som nasjonalt og dette vil da forhåpentligvis også gi arbeidsplasser for fremtidige ingeniører med interesse for miljøvennlig og fornybar energi.

Kilder

Solenergi

http://facts-about-solar-energy.com/facts-about-solar-energy.html

www.fornybar.no

www.wikipedia.org/wiki/Solen

Silisium

Kjemien til silisium

http://no.wikipedia.org/wiki/Silisium

http://www.chemicalelements.com/elements/si.html

http://www.healthy.net/scr/Article.asp?Id=2067&xcntr=1

Krystallstukturen

http://no.wikipedia.org/wiki/Krystallsystem