Ljus som partiklar

För att förstå solceller behöver vi börja med ljusets natur. Elektromagnetisk strålning — inklusive synligt ljus — beter sig både som vågor och partiklar. De partiklarna kallas fotoner, och varje foton bär en bestämd mängd energi som beror på ljusets våglängd.

Energidförhållandet beskrivs av Plancks ekvation:

E = hf = hc/λ

där h är Plancks konstant (6,626 × 10⁻³⁴ J·s), f är frekvensen, c är ljusets hastighet och λ är våglängden. Kortare våglängd (blått ljus) ger högre energi, längre våglängd (rött ljus) ger lägre.

Solens spektrum har sin intensitetstopp kring 500 nm (grönt ljus), vilket motsvarar fotonenergi på cirka 2,5 eV. Det är mer än tillräckligt för att aktivera en kiselsolcell.

Halvledare och bandgap

I ett fast material finns elektroner i diskreta energiband. De två viktigaste är valensbandet (där elektroner normalt befinner sig) och ledningsbandet (där elektroner kan röra sig fritt och leda ström). Gapet mellan dessa kallas bandgap (Eg).

I en ledare (t.ex. koppar) överlappar banden — elektroner rör sig fritt. I en isolator (t.ex. glas) är gapet så stort (>5 eV) att inga elektroner tar sig över. En halvledare har ett lagom bandgap: stort nog att inte alla elektroner läcker, litet nog att fotoner kan kicka dem över.

Kisel (Si) har ett bandgap på 1,12 eV. Det innebär att alla fotoner med energi ≥1,12 eV (våglängd ≤1 100 nm) kan frigöra en elektron. Energi utöver bandgapet omvandlas till värme — en av huvudorsakerna till att solceller inte kan nå 100 % verkningsgrad.

P-N-övergången — solcellens hjärta

Ren kisel leder ström dåligt. Genom att medvetet tillsätta föroreningar — en process som kallas dopning — ändrar man materialets elektriska egenskaper.

N-dopning: Tillsats av fosfor (5 valenselektroner) ger ett överskott av fria elektroner. Materialet blir negativt laddat.

P-dopning: Tillsats av bor (3 valenselektroner) skapar “hål” — platser där en elektron saknas. Materialet blir positivt laddat.

När man sätter ihop ett n-dopat och ett p-dopat lager bildas en p-n-övergång. Vid gränsen diffunderar elektroner från n-sidan till p-sidan och fyller hål. Det skapar ett elektriskt fält — en utarmningszon (depletion zone) — som motverkar vidare diffusion.

Detta inbyggda elektriska fält är nyckeln: när en foton slår loss en elektron i närheten av p-n-övergången, skickas elektronen åt ett håll och hålet åt det andra. Denna separation av laddningar ÄR den fotovoltaiska effekten.

Från elektron till ström

Det inbyggda fältet driver elektroner mot n-sidan och hål mot p-sidan. Om man kopplar en extern krets mellan sidorna flödar elektronerna genom kretsen från n till p — och det strömflödet är användbar elektrisk energi.

Varje foton som absorberas genererar maximalt ett elektron-hål-par. Strömmen beror på hur många fotoner som absorberas (ljusintensiteten), medan spänningen beror på bandgapet och cellens konstruktion. En typisk kiselcell ger cirka 0,5–0,6 V vid maximal effektpunkt.

Shockley-Queisser-gränsen

Inte alla fotoner bidrar lika effektivt:

  • Fotoner med energi under bandgapet passerar rakt igenom — de absorberas inte alls.
  • Fotoner med energi över bandgapet frigör en elektron, men överskottsenergin blir värme (termalisering).
  • Ytterligare förluster kommer från rekombination (elektron och hål möts igen innan de når kretsen), reflektionsförluster på ytan och resistiva förluster.

1961 beräknade William Shockley och Hans-Joachim Queisser den teoretiska maxgränsen för en enkel p-n-solcell: 33,7 % verkningsgrad vid bandgap 1,34 eV. Kisels bandgap (1,12 eV) ger en teoretisk max runt 29 %.

Detta kallas Shockley-Queisser-gränsen och den gäller för enkeljunktionsceller. Multijunktionsceller (som staplar material med olika bandgap) kan överstiga denna gräns genom att utnyttja olika delar av solspektrumet.

Praktisk verkningsgrad

De bästa kommersiella kiselcellerna når idag 24–26 % — alltså nära den teoretiska gränsen. I labb har heterojunktionsceller (HJT) och interdigitated back contact-celler (IBC) passerat 26 %. Perovskite-kisel tandemceller har i forskningslabb nått 33,9 % (2024), över Shockley-Queisser-gränsen för enkeljunktion.

Översikt av rekord:

  • Monokristallin kisel (labb): 26,8 %
  • Perovskite/kisel tandem (labb): 33,9 %
  • Trippeljunktion III-V (labb): 47,6 %
  • Kommersiella monopaneler: 22–24 %