Från sand till halvledare

Kisel är jordens näst vanligaste grundämne och utgångsmaterialet för över 95 % av alla solceller. Tillverkningsprocessen börjar med kvartssand (SiO₂) som reduceras till metallurgisk kisel i en ljusbågsugn vid ~1 800 °C.

Den metallurgiska kislen (~98 % ren) renas sedan i flera steg till solkvalitets-kisel (99,9999 % ren, s.k. 6N). Den vanligaste metoden är Siemens-processen där kisel omvandlas till triklorsilane (SiHCl₃) som sedan reduceras tillbaka till rent polykristallint kisel.

Wafer-tillverkning

Det renade kislet smälts och formas till antingen en monokristallin eller polykristallin struktur.

Czochralski-processen (mono): En liten kiselkristall (seed) doppas i smält kisel (~1 420 °C) och dras långsamt uppåt medan den roterar. Resultatet är en cylindrisk ingot med enhetlig kristallstruktur, typiskt 200 mm i diameter och 2 meter lång.

Riktad stelning (poly): Smält kisel hälls i en fyrkantig degel och får svalna kontrollerat. Resultatet är ett block med många små kristallkorn.

Ingoten eller blocket skärs sedan med diamanttrådsågar till tunna skivor — wafers — med en tjocklek på 150–180 μm. Det är tunnare än ett pappersark. Sågningen är en kritisk process: varje snitt slösar material (kerf loss), så tunnare tråd och mindre kerf är ständiga utvecklingsområden.

Celltillverkning

En rå wafer är inte en solcell — den behöver bearbetas i flera steg:

1. Texturering: Ytan etsas med alkalisk lösning (NaOH/KOH) för att skapa mikroskopiska pyramider. Dessa pyramider minskar reflektionen från ~35 % till ~10 % genom att ljus som reflekteras studsar in i intilliggande pyramid.

2. Dopning: Wafern (som typiskt är p-dopad med bor) behandlas med fosfor (POCl₃-diffusion) för att skapa det n-dopade lagret. Resultatet är p-n-övergången som genererar ström.

3. Antireflexbehandling (ARC): Ett tunt lager kiselnitrid (SiNₓ) appliceras genom PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Skiktet är ~75 nm tjockt och ger solcellen sin karaktäristiska blå färg. Det minskar reflektionen ytterligare till under 2 %.

4. Metallisering: Elektriska kontakter trycks på med screentryck (silver på framsidan, aluminium på baksidan). Frontkontakterna är smala linjer (busbars och fingers) — en avvägning mellan skuggning (tunna linjer bättre) och motstånd (bredare linjer bättre).

5. Kantedgesisolering: P-n-övergången vid kanten avlägsnas med laser eller etsning för att förhindra kortslutning.

Moderna PERC-celler (Passivated Emitter and Rear Cell) lägger dessutom till ett passiverande oxidskikt på baksidan som reflekterar oinsamlade fotoner tillbaka in i cellen.

Från cell till modul

En enskild cell ger ~0,5 V och 8–10 A. Det är för lite för praktisk användning. Därför kopplas celler ihop i en modul (solpanel):

Strängkoppling: Celler löds ihop i serie med kopparband (ribbons). Vanligast är strängar om 20–24 celler. Seriekoppling adderar spänningen — 60 celler ger ~30 V, 72 celler ~36 V.

Laminering: Cellsträngarna läggs i ett sandwich:

  • Frontglas: Tempererat lågkiselglas, 3,2 mm. Transmitterar >91 % av ljuset. Ytan kan vara texturerad (anti-reflex) eller slät.
  • EVA-film (fram): Etylvinylacetat, 0,4 mm. Transparent polymer som kapslar in cellerna, skyddar mot fukt och ger mekanisk stötdämpning.
  • Solcellerna: Strängkopplade celler.
  • EVA-film (bak): Samma funktion som framsidan.
  • Backsheet: Vanligast är en vit polymer (TPT/PPE) som reflekterar ljus tillbaka mot cellerna och skyddar mot fukt. I glas-glas-moduler ersätts backsheet med ett andra glasskikt.

Stacken lamineras i vakuum vid ~150 °C i cirka 15 minuter. EVA:n tvärbinds och blir genomskinlig och hård.

Inramning: En aluminiumram monteras runt modulen för mekaniskt skydd och monteringskompatibilitet. Anslutningsbox (junction box) med bypass-dioder löds fast på baksidan.

Bypass-dioder — en kritisk detalj

Bypass-dioder (vanligtvis 3 st per 60-cellsmodul) kopplas antiparallellt över cellgrupper. Om en cell skuggas och inte producerar ström blir den istället en motstånd som begränsar hela strängens ström. Bypass-dioden kortsluter den skuggade sektionen så resten av modulen fortsätter producera. Utan bypass-dioder kan skuggning dessutom orsaka hot spots — lokalt överhettade celler som kan skada modulen.

Från modul till system

En komplett solcellsanläggning består av mer än paneler:

  • Monteringssystem: Infästning på tak (skena + krok) eller mark (stativ). Materialet är typiskt anodiserad aluminium eller galvaniserat stål.
  • Kabling: Solcellskabel (UV-beständig, dubbelisolerad, 4 mm² eller 6 mm²) med MC4-kontakter.
  • Växelriktare: Konverterar DC till AC. Se separat artikel.
  • Överspänningsskydd och säkringar: DC-frånskiljare, AC-säkringar, eventuellt överspänningsskydd (SPD).
  • Energimätare: Mäter producerad och/eller matad el. Ofta integrerad i växelriktaren.
  • Eventuellt batteri: Energilagring för egenförbrukning.