Fra foton til volt: Hvordan fungerer en solcelle?
Indledning: Solenergi i en halvleder
Uanset om vi taler om solcelleanlæg, solpanel eller selve solcellen, går ordet “sol” igen – afledt af det latinske “solaris”, som betyder “der vedrører solen”. Solens varme stråler er ikke kun livsnødvendige, de rummer også et stort teknisk potentiale.
Kernen i ethvert solcelleanlæg (PV-anlæg) bygger på den samme idé: Lysenergi omdannes direkte til elektrisk energi. Det kan lade sig gøre, fordi særlige halvledermaterialer som silicium kan frigive elektroner, når de belyses. I denne artikel gennemgår vi, hvordan processen præcist foregår inde i en solcelle.
Fotovoltaisk effekt: Det grundlæggende princip
Ved den fotovoltaiske effekt bliver elektroner slået løs fra deres atomgitter, når fotoner (lyspartikler) rammer et egnet materiale under de rette betingelser. Men hvordan bliver lys til brugbar strøm? Her kommer P-N-overgangen ind i billedet.
Hvad er en P-N-overgang?
P-N-overgangen er grænselaget mellem to forskellige typer halvleder med særlige ledningsegenskaber. Denne zone skabes ved dotering – målrettet tilsætning af fremmedatomer til silicium:
- P-dotet silicium (f.eks. med bor): Har “huller” – manglende elektroner – og opfører sig som den positive side (acceptor-atomer)
- N-dotet silicium (f.eks. med fosfor): Har overskud af frie elektroner og opfører sig som den negative side (donor-atomer)
- Rumladningszone: I grænselaget mellem P- og N-området dannes et elektrisk felt, som sørger for at adskille ladningerne
De frie elektroner ved grænsen i N-området vandrer over i de ledige pladser (huller) i P-området. Derved opbygges det elektriske felt i grænsezonen.
Fra foton til spænding: Processen trin for trin
Hele vejen fra foton til volt kan beskrives i følgende trin:
- Foton rammer grænsezonen: En lyspartikel rammer P-N-overgangen eller området lige omkring
- Elektron frigøres: Fotonen overfører sin energi til en elektron, som løsriver sig fra atomet og efterlader et positivt ladet “hul”
- Ladningstrennung: Det elektriske felt i rumladningszonen driver elektroner mod N-siden og huller mod P-siden
- Spænding opstår: Den rumlige adskillelse af ladninger skaber en elektrisk spænding, der kan udnyttes
- Strømmen flyder: Tilsluttes en forbruger, vil der løbe elektrisk strøm – husholdningsapparater, varmepumper eller andre installationer kan forsynes
Einstein og den fotoelektriske effekt
Albert Einstein fik ikke Nobelprisen for den berømte relativitetsteori med formlen E=mc², men for forklaringen af den fotoelektriske effekt i 1921. Den fotovoltaiske effekt er en særlig variant af den fotoelektriske effekt.
Uden Einsteins indsigt ville moderne teknologier som smartphones, internet, mikrochips og solcelleanlæg i deres nuværende form ikke være mulige.
Vigtige nøgletal for en solcelle
Modulvirkningsgrad
Virkningsgraden angiver, hvor stor en del af den indstrålede solenergi der faktisk omdannes til elektrisk energi:
- Monokrystallinske moduler: 18–24 % (højeste virkningsgrad i almindelig produktion)
- Polykrystallinske moduler: 15–20 % (god balance mellem pris og ydelse)
- Tyndfilmsmoduler: 8–15 % (nem integration, lav vægt, fleksible anvendelser)
- Eksperimentelle celler: Op til ca. 47 % i laboratoriet (tandemceller og andre højeffektiv-teknologier)
Til sammenligning omdanner en traditionel glødepære kun omkring 5 % af energien til lys – resten bliver til varme.
Temperaturkoefficient
Når modultemperaturen stiger, falder spændingen og dermed effekten. Typiske værdier er:
- Ved en temperaturstigning på 1 °C falder effekten med ca. 0,3–0,5 %
- Ved 40 °C modultemperatur i stedet for 25 °C (standard testbetingelse) har et modul allerede tabt omkring 4,5–7,5 % af sin effekt
Skygge og bypass-dioder
Delvis skygge på et modul reducerer strømmen markant – ikke kun proportionalt med det skyggeramte areal. Bypass-dioder begrænser disse tab ved at “omgå” de skyggeramte celler, så resten af strengen fortsat kan levere strøm.
Materialevalg i overblik
| Teknologi | Virkningsgrad | Fordele | Ulemper |
|---|---|---|---|
| Monokrystallin | 18–24 % | Høj effektivitet, lang levetid | Højere pris |
| Polykrystallin | 15–20 % | Billigere, gennemprøvet teknologi | Lidt lavere effektivitet |
| Tyndfilm | 8–15 % | Fleksibel, let, tåler delvis skygge | Lavest virkningsgrad |
Konklusion
Kort fortalt: Solcellen er hjertet i ethvert solcelleanlæg. Gennem den fotovoltaiske effekt og den gennemtænkte opbygning med dotterede halvledere omdannes sollys direkte til elektrisk strøm.
Næste skridt: Opbygning af et solcelleanlæg: Fra modul til nettilslutning
Kilder og videre læsning
- Elektronik-kompendium: Halvledere og dotering
- LeifiPhysik: Silicium-solceller
- HTW Berlin: Effektivitetsguide til PV-lagringssystemer
- Solarwissen: Dotering forklaret enkelt
Beregn dit forventede solcelleudbytte
Vores gratis solcelle-beregner estimerer med aktuelle PVGIS-data det forventede eludbytte, egenforbrug og den økonomiske rentabilitet af dit solcelleanlæg.