T. Ekelund, C. Carlsen, E. Fykse, B. Bøe

More documents

Recommendations

Info

pel sollyset. Slike energikilder er et viktig satsningsområde med tanke på en bærekraftig utvikling. I dag er de viktigste energikildene kull, olje og gass, men for å redusere forurensende utslipp og best mulig bevare miljøet, må fornybar energi gradvis erstatte disse. I denne sammenhengen kan solenergi være en mulighet, men mye gjenstår før dette eventuelt kan bli et reelt alternativ. I denne rapporten er det energi direkte fra sollys som vil settes i fokus, med hovedvekt på solcelleteknologi. Innledningsvis vil den fotoelektriske effekten, som er selve basisprosessen i en solcelle, bli forklart. Videre følger en beskrivelse av hva en solcelle er og hvordan solceller fungerer, en forutsetning for forståelse av det praktiske forsøket gruppen utførte. I tillegg inngår bl.a. en kort oversikt over solcellens historie, samt noen anvendelsesområder for solenergi. Solcelleteknologi Hva er fotoelektrisk effekt? Den fotoelektriske effekten går i hovedtrekk ut på at elektroner rives løs fra et materiale dersom det eksponeres for lys og energien i strålingen absorberes. Denne effekten Utstrålingstetthet per bølgelendeintervall (W//(m²·nm)) 6 ble først oppdaget av Alexandre Edmond Becquerel i 1839, da han under et forsøk observerte at noen materialer kunne gi små mengder elektrisk strøm ved belysning. Mot slutten av 1880-årene oppdaget tyskerne Heinrich Hertz og Wilhelm Hallwachs at metaller kan sende ut elektroner dersom overflaten eksponeres for lys. Disse to er i senere tid blitt stående som mennene bak oppdagelsen, til tross for tidligere studier av fenomenet. Den første solcellen ble for øvrig konstruert med Becquerels betraktninger som grunnlag. Hertz og Hallwachs oppdaget at metallet måtte være negativt ladet for å oppnå den fotoelektriske effekten, slik at det skjer en utladning av materialet når det blir belyst. Ved forsøk viste det seg at utsendingen av elektroner var avhengig av lysets frekvens. Frekvensen måtte være over en viss grense, en såkalt terskelfrekvens, før elektroner kunne frigjøres fra materialet. Dette kunne de imidlertid ikke forklare. I 1905 fremsatte Albert Einstein en hypotese som kunne forklare effekten ved å betrakte lys som energikvanter, fotoner. Han bygde videre på Max Plancks tanker om at lyset er kvantisert. Einstein mente at ett enkelt foton overfører all sin Bølgelengdeintervaller (nm) Figur 1.2 Solas Planck-kurve. Fordi silisium har et løsrivingsarbeid på 1,12 eV, er det kun effekten representert av det fargede arealet på figuren som kan konverteres til elektrisitet i en solcelle av silisium. (EF) energi til ett elektron. Flere fotoner kunne ikke sammen løsrive elektronet, selv om deres energi totalt sett var tilstrekkelig. Dersom fotonets energi var for lav, ville ikke noe energi overføres til elektronet, men fotonet ville passere rett gjennom metallet. Plancks formel E = hf, der E er energien, h er Plancks konstant og f er frekvens, viser sammenhengen mellom fotonenes energi og lysets frekvens. Med bakgrunn i dette formulerte Einstein en sammenheng mellom fotonets energi, energien det krevde å løsrive et elektron og den kinetiske energien elektronet fikk. Fotonets energi går med til løsrivningsarbeidet W, og eventuell overskuddsenergi fotonet har gir elektronet kinetisk energi, Ek. Sammenhengen Einstein kom frem til, ble derfor hf = W + Ek. Løsrivningsarbeidet er en verdi karakteristisk for hvert enkelt metall, og er den minste energien et foton kan ha for å rive løs et elektron. Ti år senere gjorde fysikeren Robert A. Millikan forsøk som bekreftet Einsteins hypotese. Senere førte den fotoelektriske effekten til større forståelse av lysets natur som en kombinasjon av bølger og partikler. Den fotoelektriske effekten er en avgjørende faktor for at en solcelle skal kunne fungere. Ved å utnytte en variant av denne effekten kan stråling fra Solen konverteres til elektrisk energi. Prosessen går stort sett ut på det samme som beskrevet tidligere, men en viktig forskjell er at man i solceller benytter et halvledermateriale istedenfor et metall. Halvledere er stoffer med ledningsevne mellom metalliske ledere og isolatorer. Dersom en halvleder belyses, vil ikke elektronene unnslippe materialet fullstendig. Det kan derimot genereres elektron-hull-par, dvs. ladningsbærere som kan bevege seg og skape en elektrisk strøm. Dette er gunstig i forhold til solcelleproduksjon. Halvledere og frigjøring av elektroner ved belysning vil omtales nærmere under avsnittet om solcellers funksjon.
Sollyset består av lys i ulike bølgelengder. Fotonene i sollyset har ulik energi avhengig av bølgelengden/ frekvensen lyset har. Lys med høy frekvens har kort bølgelengde, og fotonene har høy energi. Lys med lav frekvens er langbølget, og fotonene har lavere energi. For eksempel kan UV-lys lettere rive løs elektroner enn infrarødt lys. Se for øvrig formlene E = hf, samt bølgelengdeformelen λ = c / f, der c er lysfarten og f er frekvens. Fotoner som treffer en solcelle, blir absorbert dersom energien er lik eller større enn løsrivningsarbeidet, dvs. dersom energien er stor nok til å løsrive elektroner. Et absorbert foton kan overføre sin energi til et elektron, og slik frigjøre det. Frie elektroner etterlater seg positive hull, som også kan forflytte seg ved at naboelektroner fyller dem. Nærmere beskrivelse følger i avsnittet om solcellers funksjon. Fotoelektrisk effekt betegnes ofte fotovoltaisk effekt i tilknytning til solceller, og sistnevnte begrep vil bli benyttet videre i rapporten. Hva er en solcelle? En solcelle er en lysfølsom elekronisk komponent hvor solenergi kan omdannes til elektrisk energi. Den mer presise betegnelsen på solceller er fotospenningsceller eller fotovoltaiske celler. Fotovoltaiske celler forkortes vanligvis med PV-celler. Disse cellene er basert på fotovoltaisk effekt. Begrepet kommer av foto, lys, og volt, enheten for spenning. Halvledere, vanligvis silisium, er selve basisbestanddelen i en fotovoltaisk celle. PV-celler er satt sammen av to typer halvledertyper, såkalt positiv type og negativ type, begge i utgangspunktet samme halvledermateriale. Kontaktflaten mellom disse kalles pn-overgangen. Mer om ulike typer halvledere og pn-overgangen følger senere. Sollys er det mest brukte og best egnede lyset for å kunne generere elektrisk energi fra PV-celler, derav navnet solcelle. En PV-celle kan teoretisk sett fungere i et ubegrenset tidsrom uten å slites ut, selv om dette foreløpig ikke er tilfelle i praksis. Historikk Solcellens historie strekker seg tilbake til 1800-tallet, nærmere bestemt til oppdagelsen av den fotoelektriske effekten i 1839. Med Becquerels observasjoner som grunnlag konstruerte amerikaneren Charles E. Fritts den første solcellen i 1883. I likhet med produksjonen av solceller i dag, benyttet han silisium som materiale. Prosentandelen av solenergien som traff cellen og ble omdannet til elektrisk energi, var på under 1 %. Til sammenlikning er virkningsgraden på dagens solceller på mellom 15 og 20 %. Først etter nærmere forskning på halvledermaterialer i 50årene, kunne man utvikle mer effektive solceller. Forskning på halvledere ledet også til utviklingen av den første transistoren, et apparat som benyttes til forsterkning og bryting av elektroniske signaler. Halvledere er et svært viktig element innen elektronikk også i dag. For å bedre halvlederens strømførende egenskaper og dermed øke virkningsgraden, kom den amerikanske forskertrioen Darryl Chapin, Calvin Fuller og Gerald Pearson ved Bell Laboratories frem til en metode som ble kalt doping. Ved denne metoden ble flere elektroner frigjort, og kunne utgjøre en elektrisk strøm. Nærmere omtale av dopingprosessen følger i neste avsnitt, samt i del 2. Hvordan solceller fungerer For å forstå hvordan fotovoltaiske celler fungerer, er det viktig med kjennskap til materialet cellene lages av. Solceller består hovedsakelig av et halvledermateriale, eksempelvis silisium og germanium. Silisium det mest brukte materialet ved fremstilling av solceller. Dette grunnstoffet har spesielle kjemiske egenskaper som gjør det særlig gunstig med tanke på solcelleproduksjon. Spesielt den krystallinske strukturen stoffet har er en viktig egenskap. Et silisiumatom har 14 elektroner ordnet i tre skall, hvorav de to innerste skallene er fulle, mens det ytterste skallet kun er halvfullt, dvs. at det inneholder 4 elektroner. Etter oktettregelen forsøker atomene å fylle opp ytterskallet. For å oppnå dette danner hvert atom elektronparbindinger med fire naboatomer. Dette skaper krystallstrukturen som er viktig for at fotovoltaiske celler skal kunne fungere optimalt. Men denne oppbygningen er ikke alene tilstrekkelig. Halvledere i ren form vil være dårlige ledere. Rent silisium leder strøm dårlig fordi alle elektronene inngår i kovalente bindinger som det kreves energi for å bryte. I utgangspunktet befinner silisiumatomenes ytterelektroner seg i et energinivå kalt valensbåndet. Her er elektronene bundet til atomene, og danner i tillegg kovalente bindinger med elektroner i naboatomene. For å kunne lede strøm, må elektronene eksiteres til et høyere energinivå, kalt ledningsbåndet. Her kan elektronene bevege seg fritt i materialet og bidra til materialets ledningsevne. Selv om noen elektroner vil være frie fra atomene ved normal temperatur, vil disse være så få at det ikke blir et særlig stort strømutbytte. Derfor må halvlederen modifiseres før den kan benyttes i solcelleproduksjon. Ved å sette en liten mengde atomer fra bestemte stoffer til silisiumet, kan man forbedre materialets ledningsevne. Denne prosessen kalles doping. På denne måten kan man få relativt god kontroll over strømmen i cellen. Halvledere kan også få strømførende egenskaper ved oppvarming eller ved påtrykt spenning, men i solcellesammenheng er doping den ideelle metoden. Det finnes to former for doping man må ta i bruk for å kunne konstruere en fungerende fotovoltaisk celle. De to dopede formene av halvledermateriale kalles negativ type og positiv type. Anvendte dopingstoffer er 7
Page 1: E N E R G I T. Ekelund, C. Carlsen,
Page 8 and 9: Figur 1.3 N-type silisium med frie
Page 11 and 12: Å foredle metallurgisk silisium i
Page 13: pe metalltråder kveilet tett rundt
Page 16 and 17: øker. Dette er fordi linja L (som
Page 18 and 19: ne ble fylt opp med gass. Når gass
Page 21: Figur 4.1 Diagram over vinkler og s
Page 24 and 25: gasskraftverk som produserer elektr
Page 26 and 27: hydrogen bli lav, for også elektri
Page 29 and 30: 6.3 Solceller koblet i serie og par
Page 31 and 32: Solar Electricity, Tomas Markvart,

T. Ekelund, C. Carlsen, E. Fykse, B. Bøe

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?