Befintliga tekniker

Solceller som kommersialiseras idag består till huvudsak av kristallina– och tunnfilmssolceller. De kristallina solcellerna förekommer i störst omfattning och kännetecknas av många som ’urtypen’ av solceller med dess karakteristiska tavelram–

utseende och blåskimrande eller mörka modularea. (Vattenfall, 2020) På senare tid har olika tunnfilmstekniker blivit alltmer populära på grund av stora integrationsmöjligheter i

exempelvis byggelement, vilket gjort tekniken gångbar för en rad olika konstruktioner. En populär integrering av tunnfilmssolceller är partiell transparens i fönster, där elproduktion kan kombineras med skuggning. (Soltech Energy, 2020) I skrivande stund är kristallina solceller effektivare avseende verkningsgrad än tunnfilmssolceller (Kovacs, 2019), vilket tillsammans med inköpskostnad är en anledning till att poly– och monokristallina solmoduler fortfarande förekommer i stor omfattning. En tabell över verkningsgraden för kommersialiserade

solcellsmoduler visas i Tabell 2–10.

31

Tabell 2–10. Verkningsgrad för några vanliga kommersialiserade solcellstekniker. (Kovacs, 2019)

Modultyp Verkningsgrad (%) Monokristallint kisel 18–22

Polykristallint kisel 16–20

Tunnfilm 14–18

Nedan beskrivs kortfattat de kommersialiserade teknikerna som förekommer i störst omfattning på marknaden idag.

2.2.1. Kristallina kiselsolceller

Kristallina solceller utgör ca 95% av världsmarknaden och delas in i mono– och polykristallina solmoduler. (Solkompaniet, 2020) Teknikerna brukar kallas första

generationens solceller, då de användes i rymden för solel under 60–talet för första gången.

(Dessus & Pharabod, 2000) De består som tidigare nämnts (Kap. 2.1.3.) av dopade kiselskivor där elektroner exciteras genom den fotoelektriska effekten och genererar ström. Till största delen består kristallina moduler av glas (~2/3 wt %). Utöver detta består

huvudkomponenterna av kisel, plast och aluminium. Övriga ämnen som förekommer i små mängder är silver, koppar och bly. (Solkompaniet, 2020) Då kisel är det vanligaste

grundämnet efter syre på jorden är tekniken tacksam ur ett tillverkningsperspektiv. Största nackdelen vid tillverkningen är en hög energiförbrukning då kislet värms, renas och dopas.

(NyTeknik, 2020)

Livslängden på både poly–och monokristallina solceller enligt kvalitetsstandard beräknas till ca 30 år (Kovacs, 2019). I allmänhet förväntas verkningsgraden för kristallina moduler sjunka till ca 80% efter 25 år. (Svea Solar, 2020) De två avgörande faktorerna för åldring och

förslitning är hög temperatur och instrålning. Ett vanligt antagande är en reducering av verkningsgraden på ca 0,5% per år. Denna generalisering baseras dock i hög grad från erfarenheter i andra länder än Sverige, och kan därför vara missvisande. (Kovacs, 2019) Det nordliga klimatet, med både lägre utetemperatur och solinstrålning kan därför betraktas gynnsamt ur ett förslitnings– och livslängdsperspektiv för kristallina solceller. (RISE, 2020) Moduler med monokristallina celler har en högre inköpskostnad än polykristallina moduler.

Skillnaden i pris var mer påtaglig förr, men har på senare år slätats ut allteftersom

tillverkningen effektiviserats. Under rådande förhållanden är kostnaden för de två teknikerna i princip lika, sett till pris per producerad kWh. (Sommerfeldt, o.a., 2016)

32 Polykristallina kiselmoduler

Polykristallina solceller tillverkas genom att tackor av smält kisel skärs ut till tunna skikt som sedan används till solceller.

Tackorna med smält kisel består av kiselkristaller av olika storlek samlade i lager på varandra vilket ger en polykristallin struktur. (Dessus & Pharabod, 2000) Installationer med polykristallina moduler kännetecknas av en blåskimrande ton på modularean som visas i Figur 2.29. (HemSol, 2020) Fram till 2018 dominerade polykristallina solceller marknaden på grund av den avsevärt lägre produktionskostnaden, då tillverkningen av monokristallina tackor hade en mycket energi– och tidskrävande tillverkningsprocess. Polykristallina kiselmoduler är därför fortfarande mycket vanligt vid

solelinstallationer världen över. (Solkompaniet, 2020) Då inköpskostnaden för polykristallina solceller generellt är lägre än för monokristallina på grund av

tillverkningskostnaden, ser man ofta tekniken på stora anläggningar där det inte råder platsbrist. En ökad verkningsgrad, allt effektivare

framställning och mer yteffektiv användning motiverar dock användandet av monokristallina moduler då andra förutsättningarna gäller. (Svea Solar, 2020) (Effecta, 2020)

Monokristallina kiselmoduler

Till skillnad från polykristallint kisel består monokristallina solceller av en enda kiselkristall. Monokristallina moduler har ofta en mörk nyans på modularean som visas i Figur 2.30. För att omvandla och rena råmaterialet till en enda klar kristall krävs både hög energianvändning och tidsåtgång. (Dessus &

Pharabod, 2000) Tillverkningsprocessen var tidigare betydligt mer omständlig och energikrävande än för polykristallina solceller, men har på senare år effektiviserats. 2018 hade teknikerna lika stora marknadsandelar, och då trenden väntas fortsätta spås användandet av monokristallint kisel i

solelanläggningar dominera i framtiden. (Solkompaniet, 2020) Den ökade verkningsgraden hos monokristallina moduler kontra polykristallina kan förenklat härledas från monostrukturen hos de dopade kiselskikten. Då solcellerna istället för att bestå av flera hoptryckta lager av kiselkristaller av olika storlek, endast är uppbyggda av kiselskikt från en kristall (Dessus & Pharabod, 2000) får elektronerna större rörelsefrihet som genom den fotoelektriska effekten resulterar i högre verkningsgrad.

(HemSol, 2020)

Figur 2.29. Modularea på en polykristallin modul. Bild: (Effecta,

2020)

Figur 2.30. Modularean på en monokristallin solcellsmodul. Den mörka, matta tonen är karakteristisk

för monokristallina moduler och en följd av tillverkningsprocessen. Bild:

(Effecta, 2020)

33

Monokristallina solceller har teoretiskt bättre förmåga till elproduktion vid diffusa och låga instrålningsförhållanden än solceller av polykristallint kisel. (Solkollen, 2020) (HemSol, 2020)

Tunnfilmssolceller

Tunnfilmssolceller kallas även amorfa solceller och består av en tunn film som placeras på ett bärande lager i långa, tunna remsor i modulens längdriktning (Bengtsson, o.a., 2017). Det bärande lagret kan göras böjligt eller fast och tillverkas vanligen av plast eller glas. Tekniken tillhör andra generationens solceller och bygger på samma halvledarteknik som de kristallina

solcellerna, men är konstruktionsmässigt mer än 100 gånger tunnare. (Solar Region Skåne, 2020) (Shah, Torres, Tscharner, Wyrsch, & Keppner, 1999) Tunnfilmen består av tunna skikt med olika material, som tillverkas genom att låta ämnen under lågt tryck och förångning reagera med varandra och bygga upp lager på ett substrat, till exempel glas. (U.U.- Tunnfilmssolceller, 2020).

Då den el–genererande, aktiva ytan på tunnfilmssolceller endast är några mikrometer tjock, kan den anläggas på flexibla material.

(Svea Solar, 2020) Detta medför att den färdiga tunnfilmen inte är begränsad till plana ytor, utan istället kan fästas på svängda, böjda eller skiftande ytor som visas i Figur 2.31. Bilar, båtar och

takpannor är vanliga objekt där tunnfilmssolceller kan tillämpas, och allteftersom fler upptäcker den stora användarvänligheten med tekniken växer marknadsandelen. (JämförSolceller, 2020)

Tunnfilmer integrerade i takpannor visas i Figur 2.32.

Den kraftigt reducerade materialåtgången vid tillverkningen av tunnfilmssolceller spelar en bidragande roll i dess lägre pris per kvadratmeter kontra mono– och polykristallina

kiselmoduler. Sett till installerad effekt är de dock fortfarande dyrare än kristallina kiselmoduler. Verkningsgraden ligger just nu betydligt lägre för de kommersialiserade

tunnfilms–teknikerna, omkring 14–18%. (Solkompaniet, 2020) En fördel kontra de kristallina kiselsolcellerna är dess teoretiska förmåga att vara effektivare vid diffusa ljusförhållanden.

Vid tidigare studier i nordliga förhållanden har denna skillnad dock visat sig vara marginell.

En orsak antas vara tunnfilmens lägre temperaturkoefficient som slätar ut produktionsvinsterna gentemot kristallina kiselmoduler. (Svedjeholm, 2019)

Figur 2.31. Tunnfilmsmodul i löst utförande Bild: (Camping

Varuhuset, 2020)

34

Olika typer av tunnfilmssolceller anses gynnas av skilda delar av solens instrålningsspektrum⁸. (RISE, 2020) En direkt instrålning med stora våglängder gynnar teoretiskt

tunnfilmsmoduler av CIS– eller CIGS–typ, medan amorfa kiseltunnfilmsmoduler gynnas av diffus instrålning med korta våglängder. (Behrendt, o.a., 2013)

En annan parameter som skiljer sig gentemot kristallina kiselsolceller är antalet bypass–dioder monterade på varje tunnfilmsmodul. Tunnfilmsmoduler består ofta av en enda bypass–diod och en sträng vilket gör de mer känsliga för skuggning. Då en solcell på en tunnfilmsmodul exempelvis skuggas med 5% sjunker därför strömmen genom hela strängen (modulen) med 5%. När skuggningen blir för stark och bypass–dioden öppnar försvinner den genererade effekten helt från hela modulen. En 100%–skuggning av en enda solcell i en tunnfilmsmodul leder därför (i fallen med en bypass–diod) till att strömmen i hela modulen uteblir. På grund av detta fenomen är valet av montering (landskap/porträtt) av tunnfilmsmoduler mycket viktigt vid till exempel snörika förhållanden enligt teori som diskuteras närmare i Kapitel 2.1.2.

Exempel på olika tunnfilmssolceller som existerar på marknaden idag är CIS (koppar, indium, selenid), CIGS (koppar, indium, gallium, selenid), CdTe (kadmium–tellurid) och

tunnfilmssolceller av amorft kisel. Bokstavskombinationerna för de olika teknikerna anger de ingående ämnena i halvledarskiktet som producerar elektricitet genom den fotoelektriska effekten. CIS–film har idag den högsta verkningsgraden (CO2 Pro, 2020) (Hutchins, 2019), men CdTe räknas som det bästa framtidsalternativet för tunnfilm där kort

energiåterbetalningstid (EPT)⁹ och låg temperaturkoefficient är bidragande faktorer. (Pellby

& Larsson, 2015)