Fotovoltaik - Så fungerar solcellers omvandling av ljus till elektricitet
Fotovoltaik är den teknik som ligger till grund för moderna solceller och gör det möjligt att omvandla solljus direkt till elektrisk energi. Genom att utnyttja den fotovoltaiska effekten kan vi fånga fotonerna från solen och omvandla dem till användbara elektroner som kan driva våra hem och företag.
Vad betyder fotovoltaik?
Namnet fotovoltaik kommer från grekiska φῶς som betyder “ljus” och “volt” - enheten för elektrisk spänning som fått sitt namn efter den italienske fysikern Alessandro Volta. Ordet importerades till svenskan via engelskan, där “photo-voltaic” först dokumenterades redan 1849. På svenska betonas ordet på sista stavelsen, precis som “teknik” eller “botanik”.
Hur fungerar den fotovoltaiska effekten?
Den fotovoltaiska effekten är ett komplext fenomen som involverar flera vetenskapliga discipliner inom kvantmekanik, elektrofysik, kvantkemi, fotokemi och elektrokemi.
En solcell består i princip av en enkel anordning av halvledare som omvandlar ljus till elektrisk energi. Kisel är det mest använda materialet eftersom det är en halvledare med bindningsförmågor som är nästan identiska med kol, vilket gör det perfekt för denna tillämpning.
Processen steg för steg
Omvandlingen från ljus till elektricitet sker genom att solcellen absorberar ljus och joniserar kristalliserade atomer. Detta skapar:
- Fria elektroner - negativt laddade partiklar
- Joner - positivt laddade partiklar
När jonerna skapas från de grundläggande kristalliserade atomerna kan deras joniserade tillstånd “överföras” från en atom till en grannatom och vidare till nästa - det joniserade tillståndet blir mobilt. Detta skapar så kallade “hål” som beter sig som elektroner men har motsatt laddning.
Olika typer av solceller
Solceller kan tillverkas från både kristallina och amorfa halvledare, där var och en har sina specifika egenskaper och användningsområden.
Optimering för maximal effekt
För att få ut så mycket energi som möjligt från solcellerna måste flera faktorer optimeras:
- Maximera fotonernas penetration av ytan
- Minimera reflektion från solcellens yta
- Minska hinder som elektroder
- Reducera kostnader för produktion
Inom den fysikaliska kemin pågår kontinuerligt arbete med att förbättra produktionen av solceller för att uppnå dessa mål.
Den explosiva tillväxten av fotovoltaik
Fotovoltaik har upplevt en enorm tillväxt de senaste decennierna. Mellan 2002 och 2007 ökade världens fotovoltaiska produktion med i genomsnitt 48% varje år, vilket gjorde den till den snabbast växande energiteknologin i världen under denna period.
Denna kraftiga tillväxt beror främst på den ökade efterfrågan av koldioxidneutrala energikällor. I takt med att klimatmedvetenheten har ökat har både tillverkningen av och forskningen kring solceller och fotovoltaiska anläggningar intensifierats markant.
Fotovoltaikens potential i Sverige
Svenska förhållanden är faktiskt mycket gynnsamma för fotovoltaik, trots vad många tror. Produktionsdata från olika svenska städer visar att solceller fungerar väl även i vårt nordiska klimat:
De bästa förutsättningarna finns i södra Sverige, där Göteborg når 1121 kWh per installerad kW effekt per år med optimal solinställning på 46 grader. Malmö och Stockholm ligger strax bakom med 1115 respektive 1103 kWh/kWp/år.
Även i mellersta Sverige är produktionen god - Linköping når över 1030 kWh/kWp/år, medan norrlandsstäder som Umeå och Sundsvall producerar runt 1000-1030 kWh/kWp/år. Detta visar att fotovoltaik är en realistisk energilösning för hela Sverige.
Längst norrut i landet, som i Kiruna, sjunker produktionen till 845 kWh/kWp/år, men även detta är en respektabel nivå för förnybar energiproduktion.
Framtiden för fotovoltaik
Fotovoltaiken fortsätter att utvecklas i snabb takt med förbättringar inom materialvetenskap, produktionsteknik och effektivitet. Som koldioxidneutral energikälla spelar fotovoltaiken en central roll i omställningen till ett hållbart energisystem, både globalt och här i Sverige.