Redigerer Solcelle

[[Fil:Solar cell.png|thumb|right|En solcelle]]
En '''solcelle''' omdanner [[solenergi]] direkte til [[elektrisk energi]] ved hjelp av [[fotovoltaisk effekt]]. Den elektriske energien kan brukes direkte i et elektrisk apparat, den kan lagres i [[elektrisk batteri|batterier]] eller transporteres til forbrukerne via [[overføringsnett]]et. Solceller skiller seg dermed fra termiske [[solfanger]]e, som tar opp energi fra sola i form av varme. Areal for solcellepaneler øker raskt, og dekker per 2024 på verdensbasis om lag halvparten av Wales' areal, rundt {{formatnum:10000}} [[kvadratkilometer]], mens det leverer rundt 6 % av verdens behov for elektrisitet

Vanligvis lages solceller av et materiale som er en [[halvleder]], typisk krystallinsk [[silisium]] ([[multikrystallinsk]] eller [[monokrystallinsk]]). Noen alternativer er ''tynnfilm'' solceller som CdTe ([[Kadmium]]-[[Tellur]]id), CIGS (av engelsk ''C''opper ''i''ndium ''g''allium ''s''elenide – [[Kobber]] [[indium]] [[gallium]] [[selen]]id), CuInSe<sub>2</sub> (Kobber Indium di[[selen]]id) eller [[amorf]]t silisium. I tillegg finnes elektrokjemiske solceller, de såkalte Grätzelceller, hvor et fargestoff i kombinasjon med en halvleder omformer solenergien. Videre forskes det mye på hvordan solceller kan forbedres ved hjelp av [[nanoteknologi]].

==Produksjon==
Produksjonsprosessen for tradisjonelle multikrystallinske solceller av silisium starter med [[kvarts]] som renses til såkalt solcellekvalitet (eng. SOG-Si), det vil si Si > 99,9999&nbsp;%. I dag skjer dette ved den såkalte ''Siemensprosessen'' hvor materialet fordampes til gass før det renses, en prosess som krever mye energi. Det rene [[halvleder]]materialet blir deretter støpt om til såkalte ingots (med mål cirka 1,5&nbsp;m x 1,5&nbsp;m x 0,4&nbsp;m) som igjen skjæres opp i blokker (cirka 0,156&nbsp;m x 0,156&nbsp;m x 0,3&nbsp;m). Ved hjelp av trådsager sages blokkene opp i tynne skiver, såkalte [[wafer]]e, hver med tykkelse lik cirka 0,2&nbsp;mm. Waferne er grå av farge med tydelig kornstruktur (ligner på et puslespill), men blir etterhvert blå (eller blå-lilla) avhengig av tykkelsen på antirefleksbelegget som påføres etter at materialet er teksturert og [[Doping (halvledere)|dopet]]. Til slutt brennes kontakter av sølv gjennom antirefleksbelegget og cellen kan sammenmonteres med flere andre i et panel.

Det mest vanlige alternativet til multikrystallinske solceller er monokrystallinske celler. Ved fremstilling trekkes en enkrystall istedenfor å støpe en multikrystallinsk ingot. Etter saging gir dette celler med samme blåfarge som de multikrystallinske cellene, men solceller laget fra enkrystaller kan enkelt gjenkjennes ved at cellene blir åttekantede istedenfor firkantet. Dessuten er kornstrukturen borte slik at en celle har samme farge over hele cellen. Solceller av andre typer kan ha andre farger, f.eks. er solceller av CdTe sorte.

Som nevnt ble halvledermaterialet av silisium dopet, dette for å få en [[pn-overgang]]. Dette kan skje ved at den ene siden av waferen påføres [[bor]], som har ett elektron mindre i ytterste elektronbane enn silisium. Den andre siden påføres [[fosfor]], som har et elektron mer. Under en oppvarmingsprosess vil de nye atomene diffundere inn i materialet slik at ''p-type silisium'' oppstår på bor-siden mens ''n-type silisium'' oppstår på fosfor-siden. Frie elektroner blir nå flyttet mot kontaktene på overflaten og waferen er blitt en solcelle.

==Virkemåte==
[[File:Solar cell equivalent circuit.svg|thumb|Ekvivalentkretsen for en solcelle.]]

[[File:Solar cell characterisitcs.JPG|thumb|Solcellespenning som funksjon av solcellestrøm levert til en belastning for to lysnivåer som gir forskjellig strømstyrke. Strømmen er oppgitt som et forhold mellom revers metningsstrøm ''I''<sub>0</sub> og gjeldende ''I''<sub>L</sub>.<Ref name = J_Nelson/>]]

Solceller produserer elektrisitet ved hjelp av fotovoltaisk effekt. Funksjonsmåten til en solcelle kan forstås ut fra ekvivalentkretsen til høyre. Lys som inneholder [[fotoner]] av tilstrekkelig energi (større enn båndgapet til materialet som blir belyst) vil danne mobile elektronhullpar i halvledermaterialet. Ladningsseparasjon oppstår på grunn av et [[elektrisk felt]] i forbindelse med pn-overgangen som er i termisk likevekt (altså at det er selve kontaktpotensialet som skaper det elektriske feltet). Disse elektriske feltene i forbindelse med pn-overgangen var til stede allerede før solcellen ble utsatt for lys. Denne ladningsseparasjonen skiller positive ''elektronhull'' og negative elektroner over pn-overgangen. Solcellen virker da som en [[diode]] noe som gir en ''forover spenning'' eller ''fotovoltaisk  spenningen'' mellom de opplyste diodeterminalene.<ref name=Dhir>{{Cite book| title=Electronic Components and Materials: Principles, Manufacture and Maintenance | author=S M Dhir | url= | chapter=§3.1 Solar cells | publisher=Tata McGraw-Hill | year=2000 | isbn=0-07-463082-2}}</ref>

Den lysinduserte ladningsseparasjonen skaper en returstrøm gjennom solcellens pn-overgang (i motsatt retning av den retningen som en diode normalt leder strøm), og denne ladningsseparasjonen  forårsaker som nevnt en fotoelektrisk spenning, eller [[elektromotorisk spenning]] (ems) som driver strøm gjennom en tilknyttet ekstern elektrisk krets. En bivirkning av denne spenningen er at solcellen har en tendens til å gi såkalt ''forward bias'' i overgangen. Ved høye nok effektnivåer vil denne forward bias føre til en strøm i lederretningen i dioden som subtraherer seg fra den strømmen som blir skapt av lyset. Følgelig vil den største strømmen oppnås ved kortslutningsbetingelser, og er betegnet som ''I''<sub>L</sub> i ekvivalentkretsen.<ref name=Lorenzo>{{Cite book| title=Solar Electricity: Engineering of photovoltaic systems | editor=Eduardo Lorenzo | author=Gerardo L. Araújo | url= | chapter=§2.5.1 Short-circuit current and open-circuit voltage | isbn=84-86505-55-0 | year=1994 | page=74 | publisher=Progenza for Universidad Politechnica Madrid}}</ref> Omtrent den samme strømmen oppnås for foroverspenninger opp til det punkt hvor diodens strømgjennomgang blir betydelig.

Forholdet mellom strøm ''I'' og spenning ''U'' for en solcellen (diode) som mottar lys er:

:<math>I = I_L -I_0 \left( e^{qU/(mkT)} - 1 \right) \ , </math>

hvor ''I'' er strømmen levert til lasten, ''I<sub>0</sub>'' er revers metningsstrøm og ''m'' en faktor som bestemmes av solcellekonstruksjonen og til en viss grad på spenningen selv.<ref name=Lorenzo/> Videre er ''kT/q'' er den såkalte ''termisk spenningen'' (cirka 0,026&nbsp;V ved romtemperatur). Dette forholdet er plottet i figuren ved hjelp av en fast verdi for ''m''&nbsp;= 2. Når solcellen ikke er tilknyttet en ekstern krets (altså at ''I''&nbsp;→0), er spenningen i ubelastet tilstand lik den spenningen der forward bias i pn-overgangen er stor nok til at fremoverstrømmen helt balanserer den fotoelektriske strømmen. Omorganisering av [[IU- kurve|''I-V'' ligningen]] gir tomgangsspenning som:

:<math>U_\text{oc} = m\ \frac{kT}{q}\ \ln \left( \frac{I_\text{L}}{I_0}+1 \right) \ , </math>

som er nyttig å angi som en logaritmisk avhengighet av ''U<sub>OC</sub>'' i forhold til fotoelektriskstrøm. Typisk er ikke tomgangsspenningen mer enn 0,5&nbsp;V.<ref name=Northrop>
{{Cite book| title=Introduction to Instrumentation and Measurements | author=Robert B. Northrop | page=176 | chapter=§6.3.2 Photovoltaic Cells | url=  | isbn=0-8493-7898-2 |year=2005 |publisher=CRC Press }}</ref>

Verdien av den fotoelektriske spenningen ved belastning er variabel. Som vist i figuren over vil det for en belastningsmotstand ''R<sub>L</sub>'' i den eksterne kretsen utvikles en spenning i cellen  som ligger mellom kortslutningsverdien ''V''&nbsp;=0 (ved ''I''&nbsp;=''I<sub>L</sub>'') og tomgangsverdinen ''V<sub>oc</sub>'' (ved ''I&nbsp;=0''). Denne spenningen har en verdi gitt av  [[Ohms lov]] ''V&nbsp;=IR<sub>L</sub>'', hvor strømmen ''I'' er forskjellen mellom kortslutningsstrøm og strøm på grunn av videre forward bias i overgangen som antydet med ekvivalentkretsen.<ref name = J_Nelson/>

I motsetning til et batteri vil solcellen ved strømverdier i nærheten av ''I''<sub>L</sub> fungere mer som en ''strømkilde'' enn spenningskilde.<ref name=J_Nelson>{{Cite book|  author=Jenny Nelson | title=Solar cells |url= | page=8 | isbn=1-86094-349-7 | year=2003 | publisher=Imperial College Press}}</ref> Den strømmen som trekkes er nesten konstant over et nokså stort intervall av belastningsspenninger, med ett elektron per konvertert foton. Den ''kvanteeffektivitet'', eller sannsynligheten for å få ett elektron fra lysstrømmen per innfallende foton avhenger ikke bare av solcellen i seg selv, men også av [[Elektromagnetisk spekter|spekteret]] til lyset.

Dioden besitter et ''innebygd potensialle'' på grunn av kontaktpotensialforskjellen mellom de to forskjellige materialene på hver side av pn-overgangen. Dette innebygde potensialet etableres når overgangen er dannet som et biprodukt av termodynamisk likevekt. Når dette er etablert kan denne spenningsforskjell ikke drive en strøm, men om en last tilknyttes vil den ikke forstyrre denne likevekten. Derimot drives strømmen av akkumulering av overskuddselektroner i en region og av overskuddshuller i en annen region. På grunn av belysning resulterer dette i at det oppstår en fotoelektriske spenning, altså ems. Denne ems driver en strøm når en last er tilknyttet til den belyste fotocellen. Som nevnt ovenfor vil også den fotoelektriske spenningen føre til forward bias i pn-overgangen, og dermed reduseres det pre-eksisterende elektriske feltet i ''utarmingsområdet''.
Elektronvandringen lager en elektrisk strømkrets. 

For å få en praktisk nyttbar ytelse fra solceller, er det vanlig å seriekoble dem i et solcellepanel slik at spenningen tilpasses et likestrømsanlegg på 12&nbsp;volt.

==Virkningsgrad==
Oppgitte [[virkningsgrad]]er på solceller, det vil si hvor mye av den innkommende energien som omdannes til elektrisk energi, bedres gradvis som følge av forskningsinnsatsen på området. Noen typiske tall for kommersielle solceller kan være cirka 16&nbsp;% for multikrystallinsk silisium, monokrystallinske celler leverer typisk 18&nbsp;%, CIGS celler leverer cirka 10&nbsp;%, CdTe cirka 8&nbsp;% og Grätzelceller omtrent 10&nbsp;%. Teoretisk maksimal virkningsgrad er 87&nbsp;% med forsterket lys og annen oppbygging av cellestrukturen, mens solceller med dagens struktur (som beskrevet her) har en øvre effektivitetsgrense lik 31&nbsp;%.

==Bruksområder==
Solceller brukes på mange områder. De har vanligvis blitt brukt der elektrisitet fra strømnettet ikke er tilgjengelig, slik som i avsidesliggende strøk, strømforsyning for [[Kunstig satellitt|satellitter]], håndholdte [[kalkulator]]er, sambandsutstyr og så videre. På grunn av økende behov for nye [[energikilde]]r har denne [[fornybar energi|fornybare energiformen]] fått stor betydning i enkelte land som et tillegg til olje.

Areal for solcellepaneler øker raskt, og dekker per 2024 på verdensbasis om lag halvparten av [[Wales]]' areal, rundt {{formatnum:10000}} kvadratkilometer, mens det leverer rundt 6 % av verdens behov for elektrisitet.<ref>{{Kilde www|url=https://www.economist.com/leaders/2024/06/20/the-exponential-growth-of-solar-power-will-change-the-world|tittel=The exponential growth of solar power will change the world|besøksdato=25. juni 2024|dato=20. juni 2024|forlag=The Economist|sitat=Panels now occupy an area around half that of Wales, and this year they will provide the world with about 6% of its electricity—which is almost three times as much electrical energy as America consumed back in 1954.}}</ref>

==Solcelleindustri i Norge==
[[REC Silicon]], tidligere Renewable Energy Corporation, med hovedkontor i [[Sandvika]] har silisiumproduksjon i Butte og Moses Lake i USA, mens REC Solar har solcelle- og modulproduksjon i Singapore. RECs waferproduksjonen i Norge ble slått konkurs i august 2012. Andre viktig norske aktører innen solcellebransjen er [[Elkem Solar]] (Kristiansand), Otovo og [[Norsun]] (Årdal).

== Se også ==
* [[Solfanger]]
* [[Solkraft]]
* [[Solinnstråling]]

== Referanser ==
<references/>

== Eksterne lenker ==
* [http://www.solenergi.no/ Norsk Solenergiforening]
* [http://www.fornybar.no/ fornybar.no] {{Wayback|url=http://www.fornybar.no/ |date=20080308095724 }}
* [http://www.skjolberg.com/ Norsk hjemmeside om solenergi]
* [http://www.norsuncorp.no/?sc_lang=no NorSun] {{Wayback|url=http://www.norsuncorp.no/?sc_lang=no |date=20081221012714 }} &ndash; produsent
* [http://www.solarbuzz.com Solarbuzz] &ndash; forskning- og konsulentbedrift {{Språkikon|en|Engelsk}} 
* [http://www.solarenergy.ch Solartechnik Prüfung Forschung] - [[Sveits]]isk solinstitutt {{Språkikon|de|Tysk}} {{Språkikon|en|Engelsk|de|Tysk}} {{Språkikon|fr|Fransk}} {{Språkikon|es|Spansk}} {{Språkikon|it|Italiensk}}
* [http://forskning.no/fysikk-kjemi-materialteknologi-miljoteknologi/2012/02/slik-virker-en-solcelle Slik virker en solcelle] - multimedia fra forskning.no 27.2.12
* [http://solarts.no/invertere/ Hva er en vekselretter] {{Wayback|url=http://solarts.no/invertere/ |date=20160531052542 }} - DC-spenning til AC-Spenning
* [http://www.tu.no/artikler/dette-er-teknologisprangene-bak-solcelle-revolusjonen/364221 Dette er teknologisprangene bak solcelle-revolusjonen]

{{Galvaniske celler}}
{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Solenergi]]
[[Kategori:Miljøteknikk]]
[[Kategori:Energiomforming]]
[[Kategori:Halvlederkomponenter]]
[[Kategori:Elektrisk energiteknikk]]