FAGSTOFF

Spar på Snarøya har silisium-baserte solcellepaneler på fasaden montert med skjult innfesting i en mosaikk satt sammen av paneler i ulike størrelser. Foto: Fusen

Solcelleteknologier – dette kan du vente deg i nær fremtid

Det finnes svært mange ulike solcelleteknologier. De aller fleste solcellepaneler ser ganske like ut, og det er lett å bli forvirret. Her gir vi en kjapp innføring i hovedtrekkene i solcelleindustrien i dag, med et fokus på de teknologiene som er i bruk. I tillegg gir vi et lite innblikk i hva du kan vente deg i nær fremtid.

Felles for alle solceller er at de er nettopp det: solceller. Dette er komponenter som omformer energien i sollyset direkte til elektrisk energi gjennom den såkalte fotovoltaiske effekten.

Det er flere andre måter å omforme energien fra sollys på. Solvarmeanlegg er et velkjent eksempel, der sollyset brukes til å varme luft, vann eller andre medier.

En annen er fotosyntesen naturen er helt avhengig av. Men solceller gjør altså ikke annet enn å produsere strøm.

Den fotovoltaiske effekten ble oppdaget så tidlig som i 1839 og har derfor vært kjent lenge. Den moderne solcelle-teknologien begynte sin spede barndom i halvlederlaboratoriene på 1950-tallet. Siden den gang har prisen på solcellepaneler stupt, effektiviteten økt og produksjonsvolumene gått i taket. I fjor ble om lag 25 milliarder solceller produsert, og disse inngikk i nær 400 millioner solcellepaneler. Dette er store tall!

En rekke ulike materialer kan brukes til å lage solceller. Det finnes derfor et virkelig enormt antall solcellekonsepter, og det kommer stadig nye til. Dersom vi ser på hva som forlater solcellefabrikkene er variasjonen derimot mye mindre.

I dag kan vi med relativt god nøyaktighet dele markedet i to: solceller basert på silisiumwafere og tynnfilmsolceller. Disse står i dag samlet for nesten nøyaktig 100 % av alt som produseres.

Silisiumbaserte solceller

Den desidert vanligste måten å produsere solceller på er å ta utgangspunkt i en såkalt silisiumwafer. Dette er en tynn skive, oftest godt under 200 µm tynn, som sages ut av et svært rent og tilnærmet perfekt silisiumstøp.

Høy materialkvalitet er essensielt, alle materialfeil kan bidra til at solcellene blir mindre effektive!

Waferen prosesseres til solceller som igjen settes sammen i solcellepaneler.

De silisiumbaserte solcellepanelene er ofte svært lette å kjenne igjen. Moderne solcellepaneler består som oftest av et karakteristisk rutenett på 60 eller 72 slike wafere, selv om enkelte teknologier velger andre formater eller å dele opp waferene før de monteres.

Mange fordeler

Silisiumbaserte solceller har en rekke fordeler, det er jo tross alt derfor de dominerer markedet.

Effektiviteten i produksjon er høy. Produktene på vei ut fra fabrikkene har i dag ofte virkningsgrader på 20-tallet, i blant til og med over 25 %.

Dette er relativt nytt. Tidligere var så godt som alle solcellene fremstilt ved den såkalte «aluminum back surface field (Al-BSF)» teknologien.

Denne var et enormt gjennombrudd da den kom, både i pris, effektivitet og skalerbarhet, men den hadde et effektivitetstak på rundt 20 %. Den er derfor nå raskt i ferd med å bli erstattet i solcellefabrikkene av mer effektive solcellearkitekturer.

PERC

Den mest vanlige teknologien er «passivated emitter rear contact» (PERC). En heldekkende aluminiumskontakt på baksiden byttes ut med tynnfilmbelegg som gir lavere elektrisk og (ofte) lavere optiske tap.

Et stort fortrinn med denne teknologien er at den krever få endringer i eksisterende fabrikker.

Teknologier med høyere virkningsgrad

Tre andre teknologier som gir høyere virkningsgrader enn PERC er også å finne i markedet.

Dette er arkitekturene «heterojunction» (HJ), «interdigitated back contact» (IBC) og «tunnel oxide passivated contact» (TOPCON).

Alle disse kan gi virkningsgrader på cellenivå over 25 %. En kombinasjon av HJ og IBC står i dag for den gjeldende verdensrekorden for silisiumbaserte solceller på hele 26,7 %.

Dette er et imponerende høyt tall: på grunn av behovet for å omforme hele solspekteret, med lys i alle farger og med stor variasjon i energi ligger den teoretiske grensen på 29,4 %. Dette er det meste man ville fått ut av en helt perfekt silisiumsolcelle.

I det aller siste har vi sett en ekstra bieffekt av overgangen fra Al-BSF.

De nye arkitekturene har ikke lenger metall over hele baksiden. De er dermed enkle å gjøre tosidige, noe som betyr at de kan samle lys fra begge sider.

Takbelegg

Selv om mengden lys fra solen definitivt er størst vil enhver boost fra tak eller bakke være interessant, i hvert fall dersom den kommer uten et vesentlig påslag i pris.

Her er arbeidet til norske Isola spennende: de utvikler et takbelegg spesialtilpasset til bruk med slike solcellepaneler.

Begrensninger

Til tross for sine fortrinn har silisium-teknologien noen begrensninger. For det første er silisium ikke spesielt velegnet for å samle lys. Det er en viktig grunn til at tykkelsen på silisumwaferene må være relativt stor. Materialbruken blir dermed ganske vesentlig.

I tillegg er waferene relativt sprø, noe som gjør det vanskelig å fremstille annet enn flate solcellepaneler. Allikevel er akkurat disse solcellene grunnen til at solkraft i dag er det billigste alternativet i mange land rundt om i verden.

Norske produsenter

For oss i Norge er silisiumsolcellen spesielt spennende.

Vi har flere produsenter av silisium-materialer og silisiumwafere, i tillegg til leverandører innenfor i denne verdikjeden.

Norsun, Norwegian Crystals, REC Solar og The Quartz Corp er fire gode eksempler på dette. Både Norsun og REC Solar er i disse dager i ferd med å bygge om sine fabrikker for å kunne produsere økte volumer av silisiummaterialer for et verdensmarked som i økende grad etterspør høy kvalitet og bærekraftig produksjon.

I tillegg er det norske forskningsmiljøet blant de beste i verden på denne teknologien. Det blir veldig spennende å følge de silisiumbaserte solcellene fremover!

Tynnfilmsolceller

Tynnfilmsolceller er en samlebetegnelse på teknologier som lages ved å gro tynne solceller på enten glass, metallfolie, plast eller andre egnede materialer.

Disse tynnfilmsolcellene har en total tykkelse på under 10 µm, ofte godt under. Slike solceller kan i prinsipp være veldig fleksible. De kan også i prinsipp gros på både flate og krumme overflater.

Sistnevnte er en spennende egenskap, spesielt for å øke valgmulighetene når solceller skal brukes i bygg eller i ulike produkter. Det finnes eksempler på både bøyd glass og takstein som fungerer som solceller.

Fleksible tekstiler og metallfolier har blitt brukt til å fremstille solceller som faktisk kan bøyes. Allikevel er de langt største volumene av solcellepaneler laget av tynnfilmer overraskende like silisiumbaserte solcellepaneler: store, flate og rektangulære.

Dette er løsninger som foreløpig gir både lavest pris, høyest effektivitet per krone og lengst levetid.

Materialer

En mengde materialer kan gros som tynn-filmer. Imidlertid finner vi i dag bare tre ulike materialer i storskalaproduksjon. 7,5 % av solcellene som ble produsert i 2019 var tynnfilmsolceller. Tynnfilmer av kadmiumtellurid (CdTe) stod for den definitivt største andelen av disse med en markedsandel på 5,7 %.

På annenplass kom solceller av legeringen kobber-indium-gallium-sulfid (CIGS), eller beslektede legeringer, med en samlet andel på 1,6 %. Den tidligere viktige teknologien silisiumbaserte tynnfilmer (a-Si) stod for bare 0,2 %. CdTe er helt klart den tynnfilmteknologien som foreløpig har lyktes best i effektivitet på både produkt og pris.

På grunn av en kapasitetsøkning for produsenten First Solar, selskapet som står for nær all produksjon av slike solcellepaneler, var 2019 det første året på ti år at tynnfilmteknologiene har økt markedsandel i konkurransen med silisiumbaserte solceller. Det blir spennende å følge denne teknologien fremover også.

Forskning og utvikling

Det er fortsatt mye rom for forbedring av solcelleteknologiene. Vi kan regne med nye generasjoner av enda bedre og billigere produkter i årene som kommer.

I tillegg til at overgangen til mer effektive solcellearkitekturer for silisiumbaserte solceller vil fortsette, er det flere spennende utviklinger på gang.

Tandemsolceller

Et felt i bevegelse er de såkalte tandem-solcellene. Dette er solceller som faktisk er satt sammen av flere solceller, hver av disse tilpasset en del av solspekteret.

Dette muliggjør effektiviteter godt over grensene for det de andre teknologiene kan nå. På laboratoriet nærmer virkningsgraden for slike solceller seg 50 %.

Flere miljøer forsøker også å ta denne teknologien ut i fabrikk, ofte basert på en silisiumwafer. De mest profilerte løpene i dag kombinerer silisium med såkalte perovskitter. Her faller effektivitetsrekordene ofte for tiden!

BIVP

Et annet spennende felt er bygningsintegrerte solceller (BIPV). Her gir teknologier som åpner opp for variasjon i form, farge og tekstur store muligheter for formgivere og arkitekter. Dette er fortsatt en liten nisje i dagens industri, men flere forskningsmiljøer og bedrifter satser stort på å få dette til å løsne.

Økt miljøbevissthet og strengere miljøkrav i byggebransjen er viktige drivere for denne utviklingen.

Det er klart at solceller er kommet for å bli. De fleste scenarier ser frem til en energifremtid der solkraft står for de desiderte største bidragene. Det er også klart at solcellene fortsatt ikke på langt nær er ferdige. Dette gjør fremtiden ganske lys og spennende for vårt forskningssenter FME SUSOLTECH. Det er ingenting som tyder på at vi skal få lite å gjøre med det første.

Siste saker fra nyhetsrommet

Foto av Benjamin HjortlandGF
bransjeregisteret 2018. Illustrasjon.
Harald Aase. Foto: ©Adam Stirling

Harald Aase
Kommunikasjonsrådgiver

e-post: aase@gffn.no
tlf: + 47 950 84 298

Abonner på vårt nyhetsbrev

Få det siste fra glass- og fasadebransjen rett i innboksen.