Solceller – Så fungerar det på kemisk nivå

Här beskriver vi hur solceller fungerar på kemisk nivå. Det kan vara av intresse för allmän förståelse och är inte nödvändigt att känna till vid införskaffande av solceller villan, bostadsrättsföreningen eller företaget.

Energins ursprung
I solens kärna sker kärnfusion, där vätgasatomer slås samman och bildar helium under extrema temperaturer och tryck. Denna process frigör enorma mängder energi i form av gammastrålning. Genom flera reaktioner omvandlas denna strålning successivt till elektromagnetisk strålning, varav en del utgör synligt ljus, vilket utgör den energi som når jorden. Solen fungerar som en termonukleär reaktor där kärnfusion skapar och avger ljus och värme.
Solen emitterar 1 kilowatt per kvadratmeter, totalt 170,000 terawatt (170,000,000,000,000 kilowatt) genom elektromagnetisk strålning.

Här här kommer några grundläggande begrepp att ha koll på:

Fotoner
Ett s.k. foton är en elementär partikel och den grundläggande enheten för elektromagnetisk strålning. Fotoner har egenskaper av både partiklar och vågor och saknar massa men har energi och rörelsemängd. De transporteras av elektromagnetiska vågor och kan interagera med andra partiklar. Det är fotonernas energi som kan utvinnas av solceller.

Valenselektron
En valenselektron är en elektron som finns i det yttersta elektronskalet (valensskalet) av en atom. Dessa elektroner är särskilt viktiga eftersom de är inblandade i kemiska reaktioner och bestämmer atomens kemiska egenskaper. Antalet valenselektroner påverkar hur en atom kan binda sig med andra atomer för att bilda molekyler eller kristaller. Valenselektronernas arrangemang och antal spelar en central roll i att förstå och förutsäga kemiska reaktioner och de kemiska egenskaperna hos olika grundämnen.

Valenselektronerna i grundämnet kisel
Kisel (Si) har fyra valenselektroner. Det befinner sig i grupp 14 av det periodiska systemet, vilket innebär att det har fyra elektroner i sitt yttersta elektronskal.

Vad innebär dopat kisel?
Dopat kisel avser processen där små mängder av andra ämnen, kallade dopanter, läggs till i kiselkristallen för att förändra dess elektriska egenskaper. Genom att tillsätta dopanter kan man styra ledningsförmågan hos kiselskivan och skapa halvledare.

N-dopat (negativt dopat) kisel med Forsfor (P)
• N-dopning innebär att man introducerar dopanter med fler elektroner än kiselskivan, som exempelvis fosfor.
• Fosfor har en valenselektron mer än kisel, och därmed skapas extra fria elektroner i kiselskivan.

P-dopat (positivt dopat) kisel med Bor (B)
• P-dopning innebär att man introducerar dopanter med färre elektroner än kiselskivan, vanligtvis bor.
• Det bildas hål (positivt laddade platser) i kiselskivan eftersom bor har en valenselektron mindre än kisel.

Energin från fotonerna får elektronerna att hoppa till ett yttre elektronskal och blir därmed rörliga i kiselkristallens elektronmoln.

PN-övergång leder elektronerna åt ett håll och skapar ett elektriskt fält (spänning)
När dessa p-dopade och n-dopade skivor binds samman bildas en p-n-övergång som har egenskapen av en diod som endast leder ström i en riktning. En låg spänning uppstår mellan skivorna som när de seriekopplas i solcellen förstärks till en användbar energikälla.

Sammanfattning
När solens ljus träffar solcellen, exciteras elektronerna i kiselskivan. Elektron-hål-par bildas, och på grund av det inbyggda elektriska fältet vid p-n-övergången rör sig elektronerna åt ett håll och hålen åt det andra hållet. Detta skapar den elektrisk strömmen.