Vad är en solcell?

En solcell är en anordning som omvandlar ljus till elektricitet utan att ha en dynamo eller andra rörliga delar. Det finns några olika solcellprinciper, här beskriver vi den allra vanligaste principen, den såkallade pn-övergången.

Pn-övergång (också kallad pn-diod, likriktardiod) sker i halvledande ämnen. Det allra vanligaste halvledande materialet är kisel som utvinns ur sand (se vidare under solcelltillverkning). Det finns några andra halvledande ämnen eller blandning av andra grundämnen som ger halvledande egenskap.

Principen om hur pn-övergången fungerar är det samma oavsett vilket halvledande material som används. Här beskriver vi detta för kisel.

Enkristallin kisel.

Skissen nedan visar en bit av enkristallin (också kallas för monokristallin)  kisel. Att det kallas för enkristallin betyder att, som skissen visar, att kiselatomerna är ordnade regelbundet eftervarandra (i ett perfekt mönster). Strecken mellan atomerna beskriver kemiska bindningar mellan atomerna, det är dessa bindningar som håller atomerna ihop och utgör ett hårt fast ämne. Dessa kemiska bindningar är i själva verket elektroner fån kislets yttersta skal.

Fig. 1.a: Skiss av enkristallin kisel. Fyllda cirklar är kiselatomer, strecken är kemiskabindningar

En förutsättning för att ett ämne ska leda elektrisk ström är att det finns ”lösa” elektroner i materialet så att dessa kan röra sig fritt i materialet. Som ni ser i Fig. 1.a finns inga ”lösa” elektroner i den perfekta enkristallen av kisel och därmed leder inte denna konstruktion elektrisk ström.

Dopning av kisel

Kisel har fyra elektroner i sitt yttersta skal, genom placering som utgör en enkristall (Fig. 1.a) får varje kiselatom fyra närmaste grannar. En elektron från varje granne betraktas som en delad elektron, på det sättet upplever varje kiselatom att den har 8 elektroner i sitt yttersta skal. Denna konstruktion som också kallas för ädelgasstrukturen, är den mest attraktiva för alla ämnen i naturen och alla ämnen eftersträvar att uppnå detta (om möjligheten finns/ges till detta).

Som sagt, denna konstruktion leder inte ström,

n-dopning

Genom att byta en kiselatom mot en annan atom som har 5 elektroner i sitt yttersta skal, t.ex. en fosforatom, fås det som visas i Fig.1.b. I och med att det byttes en kiselatom med fyra elektroner i sitt yttersta skal mot en fosforatom med fem elektroner i yttersta skal, blir det en elektron över. Denna elektron är som ett "styvbarn", viss dragning till sin mamma (fosforatomen), å andra sidan mamman inte vill ha den då den hamnat i ny miljö (ädelgasstrukturen). Styvbarnet lämna mamman och svävar fritt i kristallen. Nu finns det en ”lös” elektron. Hädanefter kallar vi dessa för rörliga eller fria elektroner. En elektron kan inte göra under men byts tillräckligt många kiselatomer mot fosforatomer blir till tillräckligt många fria elektroner i enkristallen och därmed leder den elektrisk ström. Nu vet du varför kisel kallas för halvledare, den leder inte elektrisk ström i ren form men den kan göras ledande genom dopning.

Fig. 1.b: En kiselatom byts ut mot en atom med 5 elektroner i yttersta skalet (de röda i bilden). Varje tillförd atom har en lösbunden elektron som inte passar i ädelgasstrukturen (svarta prickarna)

Den sortens dopning som beskrevs här ovan kallas för n-dopning (negativ dopning). Genom att kisel byttes mot fosfor blev det överskott av fria elektroner och elektroner som bekant är negativ laddade.

Fig. 1.c: Den "lösa" elektronen rör sig fritt i kiselkristallen, kislet blivit delvis elektrisk ledande, kislet blivit n-dopat

p-dopning

I stället för att byta en kiselatom mot en fosforatom kan den bytas mot en atom som har 3 elektroner i sitt yttersta skal, t.ex. en aluminium- eller en boratom (Fig. 1.d). Nu saknas det en elektron för att få ädelgasstruktur. Styvmodern är nu som en desperat barnlös kvinna som till varje pris vill ha ett barn, den stjäl en från någon granne. Då blir grannen desperat och ”stjäl” en elektron från någon annan. På detta sätt har det åstadkommit rörelse av elektroner och därmed leder denna konstruktion också ström.

Vad som hänt är att det nu saknas elektroner för att få ädelgaselektroner, avsaknad av elektroner beskrivs i fysiken som hål. Ett hål tilldelas positiv laddning (motsatsen till elektronladdning). Processen att byta en kiselatom mot en atom med 3 elektroner i sitt yttersta skal kallas för p-dopning, positiv dopning.

Fig. 1.d: En kiselatom byts ut mot en atom med tre elektroner i yttersta skal (de gröna i skissen). Det saknas en elektron (skådliggörs som en tom cirkel) att bilda ädelgasstruktur

Fig. 1.e: Avsaknaden av elektronen (hål) byter plats genom att den atom som saknar en elektron "stjäl" en från en granne. Laddningar rör sig i kiselkristallen och kristallen blivit delvis ledande.

Pn-övergång

Får man ihop p-dopat och n-dopat kisel bildas den såkallade pn-övergången. Ena sidan, n-sidan har överskott på elektroner och andra sidan (p-sidan) har underskott av elektroner (överskott av hål). Elektroner och hål flyttar till motstående sida som det finns färre av dessa. Ena sidan av materialet får nu mer negativa laddningar och andra sidan mer positiva laddningar, detta resulterar i en potentialskillnad (spänning). Denna potentialskillnad eller spänning kallas för inbyggd spänning. Storleken på spänningen beror på flera faktorer (ett typisk värde är 0,5 till 0,7V). Detta sker under tillverkningen och kan inte ändras i efterhand.

pn-övergång

Den inbyggda potentialen sveper undan alla elektroner och hål vid försök av dessa att göra entré. Man har fått en såkallade utarmat område, ett område som blivit utarmat på rörliga laddningsbärare (fria elektroner och hål).

En pn-övergång är det samma som en likriktardiod. Den intresserade kan läsa på annat håll hur likriktardioder fungerar. I nästa avsnitt beskrivs hur pn-övergången fungerar som solcell.

Pn-övegång som solcell.

När ljus träffar kiselatomerna i kristallen, övergår ljusets energi till att bryta en kemiskbindning i kiselkristallen och därmed frigörs en elektron (och ett hål). Elektronen drivs åt det håll som har högre potential (uppåt i bilden) och hålet åt den sidan som har lägre potential (neråt i bilden). Elektroner sedan leds genom en extern krets, t.ex. genom en lampa eller elmotor och uträttar nytta och sedan tillbaka till solcellen och slår sig ihop med ett hål som väntar och cykeln är färdig. Nytt ljus sparkar iväg nya elektroner och processen fortsätter så länge som nytt ljus faller på solcellen.

Ljus (av tillräcklig energi) sparkar i väg elektroner från kislets bindningar (kiselatomer och bindningar visas inte i denna skiss). Dessa drivs ut av den inbyggda potentialen, sedan genom en extern krets och tillbaka till solcellens andra terminal.

En förutsättning för ljuset att sparka iväg en elektron är att den har tillräcklig energi. Detta kan jämföras med ett barn som står på marken och försöker kasta en boll till en balkong på första våningen. Om barnet inte orkar kasta 3meter hamnar inte bollen på balkongen utan tillbaka på marken. Det finns alltså en minsta gräns för ljusets energi (eller våglängd) att bli absorberad av kisel. Kisel absorberar alla synliga våglängder av ljuset och lite till av det infraröda ljuset.  Cirka 30 % av solens energi är inte synlig för ögat, en del av det osynliga kallas för ultraviolett och en del av det osynliga kallas för infraröd. Det är inom det infraröda som kisel inte absorberar ljuset så bra (väglängder över 1100nm).

Vidare, är det så att ett ljuskvantum kan endast sparka iväg en elektron oavsett hur mycket energi den har. När ljuset har mer energi än nödvändig blir överskottet värme och inte mer ström.

Detta kan jämföras med barnet som kastar bollen till balkongen. Om barnet orkar kasta 10m och balkongen är på 3m höjd så landar ändå bollen på balkongen, det var helt onödig att barnet gav så mycket kraft och kastade 10m.

Vekningsgrad

Verkningsgrad definieras som kvoten mellan nyttig arbete/energi och tillförd arbete/energi.  Från solen kommer varje sekund viss mängd energi, solcellen kan omvandla viss del av detta till elektrisk ström, kvoten av dessa kallas för verkningsgrad. Typisk verkningsgrad för kommersiella solceller är 13-16%.  Den absolut högsta teoretiska verkningsgraden på solceller på kisel är nära 30 %. I labbmiljö har man lyckats med solceller på 25-26% verkningsgrad.

Orsaken till den relativ låga verkningsgraden är 1) ett ljuskvantum kan skapa endast en elektron (och ett hål) och 2) våglängder av 1100nm och större absorberas inte av kislet.

Solpaneler

Spänningen av en solcell är cirka 0,6V i solen (något mindre i skugga) i form av likspänning. 0,6V har man knappast någon användning för. För att höja spänningen seriekopplar man flera solceller till en solcellspanel, oftast kallas bara solpanel. Typiska antal solceller i en solpanel är 36 solceller för laddning av 12V batterier eller 72 solceller för att ladda 24V batterier. Det förekommer  också solcellspaneler med andra antal solceller för andra applikationer.

Verkningsgraden sjunker ytterligare när solceller görs till solpaneler. Att strömmen går i serie genom alla solceller i en solpanel, att strömmen passerar relativ tunna anslutningar och att det finns ett skyddsglas över solcellerna medför förluster. Typisk verkningsgrad på solcellspaneler (på enkristallin kisel) är på 12-14%.

Tillverkning av solcellspaneler

Solpanelstillverkningen kan indelas i fyra steg.

Från sand till rent kisel

Från rent kisel till en- och/eller polykristallin kisel och kiselskivor

Från kiselskivor till solceller

Från solceller till solcellspaneler (solpaneler)

Idag (2010) ligger konsumentpriset för solceller på runt 3 USD per watt (för  större inköp och före  moms och andra skatter ). Man kan grovt indela kostnaderna till 1/3 del för att rena kisel fram till kiselskivor, 1/3 till att göra solcell av kiselskivan och 1/3 att göra solpaneler av solceller. En del uppskattar kiselkostnaden till ännu högre värde uppemot 50% av totala solpanelkostnaden.

Fån Sand till kisel

Sand består av kiseldioxid till största delen, den innehåller också andra ämnen som vi fortsättningsvis kallar för föroreningar. Föroreningar kan vara koppar, järn, natrium, kalcium etc. och kan utgöra upp till flera procent av innehållett. Först blandas sand med kol och värms upp i syrefri atmosfär. Syret i kiseloxid (SiO₂) frigörs och reagerar med kol varvid det bildas CO₂ och Si.

Koldioxid lämnar reaktionskammaren som gas, kvar blir det kisel och föroreningar. (Gasen som utvecklas kan vara kolmonoxid om kol tillgången är för hög. Denna kisel kallas för kisel av metallurgisk grad. Kisel av denna grad har  framställs i över 100 år och är relativ billig, används bl.a. för att blandas i järn (några procent) för att göra stål.

Elektronisk grad kisel.

Det metallurgiska kislet löses i saltsyra var vid det bildas en vätska som kallas för (tri)klorosilan (alt. tetraklorosilan.

Vätgasen är lätt och lämnar kammaren, kvar blir det vätskan och föroreningar i den. Vätskan destilleras, varvid föroreningar blir kvar i kärlets botten. Destillationen upprepas många gånger tills en renhet av 99,9999999% uppnås. Den ultra rena kiselvätskan görs om till fast kisel genom att blanda vätgas varvid det bildas saltsyra och fast kisel (motsatsen till reaktionen då fast kisel gjordes till vätska)

Det fasta kislet är utgångs material för att göra kiselskivor och är så ren att det går att använda för solcellstillverkning eller andra elektroniska komponenter och kallas för elektronisk grad kisel.

Rengöring av kisel fram till detta steg är inte en del av solcelltillsverkningen utan solcellstillverkarna köper rent kisel på marknaden. Samma kisel används av IC-kretstillverkare för tillverkning av IC-kretsar.

För att tillverka enkristallin kisel smälts det rena kislet i en speciell behållare som kallas för ”puller”. Kiselsmälter vid 1414 grader Celsius. En sats av flera hundra kg kisel smälts i pullern åt gången. Små mängder av bor blandas som utgör p-dopning av kisel. En liten enkristallin kisel från tidigare tillverkning (kallad sädeskristallen) sänks ner så att den kommer i kontakt med smältan. Från smältan fastnar kiselatomer på sädeskristallen och blir en del av det fasta kislet, atomerna från smältan följer samma kristallografiska mönster som sädeskristallen. Det fasta kislet roteras samtidigt som den dras upp, på det sättet växer det fasta kislet (Det kallas också att växa kisel). Typisk tillväxt hastighet är  0,35 till 0,8 mm per minut. Längden av en kiselstav som växes på detta sätt kan vara 2-3m med en diameter på 5 tum eller 6 tum (typiska värden inom solcellsbranschen), det växta kiselstången kallas för ingot på engelska. De flesta solcellstillverkare stoppar tillväxten vid cirka 1 m ( För IC-tillverkning  görs det numera skivor av 450 mm diameter och längden av den växta  kiselstången av cirka 3meter).

Tillväxtprocessen är mycket känslig alla processparametrar måsta vara noggrann kontrollerade, temperatur av smält kisel, omgivningstemperatur, rotations- och draghastigheter, tryck på gaser som håller luften bota etc .

Titta på denna animation hur det gå till Clip 1
Clip 2
Clip3

Kisel ingot slipas först för att göra den exakt cirkulär, efter detta sågas det i tunna skivor (endast 0,2mm-0,3 mm tjocka motsvarande två till tre A4 pappers tjocklek). Sågning sker med en speciell såg som består av en tunn tråd som lindas fram och tillbaka på trummor varvid hela kiselstången sågas på en gång.  Kiselskivorna slipas och poleras.

Metoden ovan för framställning av enkristallin kisel kallas för Czocharlski, CZ, metod, denna metod är den dominerade tekniken vid framställning av enkristallin kisel.

Andra metoden kallas för float zon (flytzon) teknik, FZ. I FZ-metoden stelnas kislet utan sädeskristall varvid en poly- (mång)kristallin kisel bildas. Sedan värmer man upp detta genom att flytta fram och tillbaka en värmeslinga, varvid bara ett område (zon) av stången värms upp åt gången. Värme ger kiselatomerna möjlighet att röra på sig och ta den position som är mest gynnsam för dem vilket är den kristallina formen.

Czocharlski process för framställning av enkristallin (monokristallin) kisel.

 

En annan teknik att framställa kiselskivor är den så kallade polykristallin kisel. Man smälter kislet i en kvadratisk form och kyler ner smältan långsamt ner ifrån.  Under kontrollerade former formas kiselkristaller även här men det är svårt (näst intill omöjligt) att hela formen får samma kristallografiska form, utan kristallisering börjar i många punkter i kärlets botten varje bit har sin egen kristallografisk riktning, så småningom möts dessa och utgör det fasta kislet och därför kallas detta för polykristallin kisel oftast kallas bara för polykisel (poly betyder många) .

 

En förutsättning för bildande av enkristallina material är att atomerna tillåts att flytta på sig och hitta den plats som är mest gynnsam för atomerna att befinna sig i.  När kislet kyls ner för snabbt eller att det ligger enorma mängder kisel ovanpå varandra kan inte dem nedersta lagren flytta på sig varvid det blir många enkristaller med olika kristallografiska riktningar som möts och därför namnet polykristallin.

Solceller av polykristallin kisel har oftast någon procent lägre verkningsgrad (med utgångskisel av jämförbar renhet). Å andra sidan är tekniken billigare och snabbare.

Hur vet man att en solcell är enkristallin eller polykristallin? Enkristallin kisel är enfärgad, nästan svart eller mörk blå  (pga den låga reflektionen se under solcelltillverkningen och rafflade ytor). Polykristallin kisel antireflexbehandlas också men de olika kristallrikningar reflekterar ljuset lite olika, varvid ser en polykristallin solcell färggrann ut (olika blåa nyanser). En bra polykristallin solcell behöver inte bestå av allt för många kristaller,  I en lyckad process kan polykristallen bestå av ganska få kristallriktningar (en kristalriktning kan vara flera cm tom flera dm) I sådana fall kan en solcell bestå av endast en kristall eller ett fåtal. Vidare är enkistallina solceller runda (inte helt runda men att dessa varit runda syns i hornen), polykristallina solceller är fyrkantiga.

Del av en solcellspanel av monokristallin (enkristallin) kisel. En solcellspanel av enkristallin kisel är enfärgard, mörkblå (ibland ljusblå) eller svart.

En solcellspanel av polykristallin (mångkristallin) kisel. Karakteristisk för en solcell av polykristallin kisel är de vackra blåa färgnyanserna

Tillverkning av solceller

Den färdig slipade kiselskivan läggs i ett (för kisel) frätande ämne (natrium eller kalium hydroxid), och kisel ytan börjar etsas (frätas bort) enligt viss mönster. Etsningen går förstås båda i djupled och i sidled men etshastigheten är olika snabb i olika kristallografiska riktningar.  Etsningen går snabbare neråt än åt sidan. Detta resulterar att ytan blir rafflad med pyramid formade uppstickningar. Dessa pyramider sänker kiselytans reflektion och ljus som reflekteras bort från en pyramids sida absorberas av annan pyramid.  Kiselytans reflektion utan rafflade pyramider är cirka 35% med pyramider sjunker reflektionen till 12%. (0,35x0,35) (idealisk vore att inget ljus reflekterades bort från kiselytan).

Efter detta sker bildande av n-område. Av pedagogiska skäl beskrev vi hur pn-övergången formas genom att sätta samman ett n-dopat och en p-dopat kisel ihop. Det går inte att göra på detta sätt i praktiken utan hela kislet är p-dopat vid tillverkning av kiselstången då p-dopning blandades i smältan. Av det p-dopade kislet omvandlas toppskiktet till n-typ genom att dopa detta skikt n-dopat. N-dopning sker genom att det läggs fosfor på ytan (den sida med pyramider) och värma upp uppvärmning gör att fosforatomerna diffunderar (tränger)  in i kislet. Fosfor dopning (n-dopning) sker på några olika sätt. Det traditionella sättet är att låta kvävgas eller argon bubbla igenom en fosforlösning  (POCl3) i en ugn av kvarts och temperatur på cirka 870 grader. I den varma omgivningen frigörs fosfor från fosforklorid och hamnar på kiselytan. Fosfor sedan diffundera in i kislet till ett djup av cirka 0,5 mikrometer. Nu har man fått pn-övergången, n-dopat på toppen och p-dopat ner till.

Industrin letar hela tiden efter processer som ska göra tillverkningen billigare. En annan metod som är något snabbare är att lägga en vätska som innehåller fosfor (P2O5)på kiselskivan och låta skivan gå igenom en ugn. Syret fån fosforoxiden reagerar med kislet varvid det bildas kiseldioxid, atomisk fosfor frigörs som vandrar in i kislet till ett djup på cirka 0,5 mikrometer .

Nästa steg  är att lägga metallkontakter för att göra kontaktering av solcellerna möjligt.  På baksidan av kiselskivan läggs en blandning av aluminium och silver i form av en pasta genom så kallade skreen tyckning (med andra ord genom att måla med pensel , målningen sker genom en finmaskig duk för att få ett jämt skikt och undvikande av klumpar. Sedan värms upp det hela, kemikalierna i pastan brinner bort och metallen blir kvar.

Dopning enlig diffusion  gör att fosfor går unt hornet och dopar också baksidan, detta måste avlägsnas innan metallisering sker.  Ett skikt av kislet avlägsnas genom att lägga kiselskivor två och två där sidan med pyramider ligger mot varandra och andra sidan etsas bort i ett reaktivgas miljö.

Metallisering på framsidan sker på ett liknande sätt som för baksidan. För framsidan vill man dock inte lägga metall över hela skivan, då ,som förstås, kommer inget ljus fram till solcellen. Man använder en mall och lägger tunna metall-linjer  (150-200 mikrometer) och ett avstånd på cirka 3mm från varandra. Två grövre linjer läggs tvärs över de tunna linjer som utgör platsen för lödning av kontakterna vid solcellspanel-tillverkning.  Dessa metall-linjer täcker 9% av solcellsytan.  Med andra ord är denna 9% av ytan offrad för att få bra kontakter.

Försök pågår att göra dessa kontakter smalare och mindre del av ytan offrad. Tyvärr fungerar inte skreen tryckning utan då får man förånga metallen i vakuumkammare vilket gör processen mycket dyrare på bekostnad av någon procents bättre verkningsgrad.

Fortsättningen kommer .....