Ett projektarbete inom elektroteknik av: Åke Djärf, Anna Häglund, Kristian Loy, Emma Ryberg & Mikael Thorsson, samtliga Tekniskt Basår, KTH Södertälje 1996-97 En sammanfattning, tack! Jamen, var är innehållsförteckningen, då?

SAMMANFATTNING:

Då vi valde ämne för detta projekt föll det sig helt naturligt att välja att skriva om solceller, eftersom den genialt enkla principen att tillverka elektricitet direkt från solljuset är mycket tilltalande.

Vår rapport beskriver bl a teknikutvecklingen från det att upptäckten gjordes att solljus skapar elektrisk ström till framtidsvisioner om stora solcellssatelliter i rymden. Solcellens konstruktion beskrivs på ett lättfattligt sätt från atomnivå till monteringsfärdig modul.

Visste Du förresten att det inom en snar framtid kommer att vara lika billigt att lägga solceller på hustaket som att lägga taktegel?

Olika användningsområden beskrivs också, bl a den populära solbilstävlingen i Australien.

Trevlig läsning!

INNEHÅLLSFÖRTECKNING:

På 1920-och 1930-talen lade man den teoretiska grunden för vår nuvarande förståelse för solcellerna. Ett stort steg framåt inom solcells teknologin kom på 1940-talet och tidigt 1950-tal, när en metod, benämnd Czochralski-metoden blev utvecklad för att producera högrent kristallint kisel.

År 1954 resulterade arbetet på Bell Laboratories i USA i en kiselsolcell som hade en effektivitet på 4%. Men detta var inte nog för Bell, de ville ha bättre effektivitet, och de förbättrade då denna solcell till först 6% och sedan till 11%.

En ny era var på ingående, den energiproducerande cellens era. På 1950-talet testade man om det gick att använda kiselsolcellen i en större skala. Dessa celler fungerade inte riktigt lika bra som de solceller som hade testats på laboratoriet, men de var tillräckligt bra för att utvecklingen av dem skulle fortsätta. Den tekniska utvecklingen satte fart år 1954 med utformningen av en elektrisk fältcell, en föregångare till den nuvarande kiselsolcellen, som omvandlade ljus till elektricitet med en acceptabel effektivitet. Detta sammanföll i tid med en explosionsartad utveckling inom rymdteknologin,som efterfrågade en pålitlig, långvarig energikälla. År 1958 använde US Vanguards rymdsatellit sig av små mängder av solceller, (som hade ett energiutbyte på mindre än 1 watt), för att förse sin radio med energi. Dessa solceller fungerade så bra att rymdforskare insåg att solcellen skulle kunna bli en effektiv energikälla för många rymduppdrag, och så blev fallet. Den tekniska utvecklingen av solcellen har sedan dess varit en del av rymdprogrammen.

En annan källa som har bidragit en hel del till solcellens teknik, förutom rymdprogrammen, är transistorn. Man kan fråga sig vad transistorer har med solceller att göra, men det är så att transistorer och solceller är gjorda av liknande material och själva arbetet bakom de båda är uppbyggt på ungefär samma fysikaliska grunder. Det har kontinuerligt framkommit mycket värdefull information från utvecklingen av transistorerna som är till nytta för utvecklingen av solcellerna.

Nyligen så har situationen också blivit den omvända, att det är mycket av forskningen som gjorts på solcellen som rör forskningen om transistorerna.

Solceller - en alternativ energikälla?

Intresset för solceller som en alternativ energikälla ökade i mitten på 1970-talet som en följd av oljekrisen i Mellanöstern, då man "upptäckte" att fossila bränslen har en begränsad användning. Forskarna ökade då sina ansträngningar i att få fram en bra fungerande solcell och det resulterade inte bara i fortsatta framsteg inom effektiviteten på kiselsolcellen och en betydande minskning av energikostnaderna, utan också i utvecklingen av nya material och komponenter till solcellerna.

Detta i kombination med en ökning av produktionsvolymer har gjort den lilla framgång, som solcellerna har fått, möjlig. Sedan början av 1980-talet har nya idéer kommit fram i fråga om bl a solcellsmaterial, och för närvarande finns en mängd lovande möjligheter för en positiv framtida utveckling.

Varför är det så svårt att fånga solens energi?

Det finns många faktorer som gör det svårt att fånga solens energi:

• solens låga ljusenergi per kvadratmeter,
• solljuset som inte är konstant,
• påverkan av vilken tid det är på dygnet,
• klimatet,
• föroreningar och
• årstid.

Därför behöver energikällor som är baserade på solceller "hjälp" från andra energikällor som kan användas när solen är täckt av t.ex. moln. Även om man skulle kunna övervinna dessa hinder så återstår ändå kostnaderna för ett solcellssystem. Dessa kostnader går inte att bortse ifrån om man tittar och jämför med vad kärnkraftsenergi och energin från fossila bränslen kostar per kWh.

Vad är det då som är så bra med solceller?

Jo, solceller fångar upp solens energi och omvandlar den till elektricitet (mer om detta längre fram) och det är en energiform som alltid kommer att finnas tillhands eftersom det är en förnyelsebar energikälla som dessutom är ren.

Om man ska kunna samla tillräckligt mycket av denna energi för att det ska bli effektivt krävs speciell teknik, vilket gör det hela till en dyr alternativ energikälla. Eftersom den är dyr kan den i dag inte konkurrera med de billiga fossila energikällorna och den billiga kärnkraftsenergin. Detta hindrar en mer utspridd användning av solceller.

Om solceller skall ha någon chans mot dagens billiga energikällor måste man alltså utveckla en billigare teknik med högre effektivitet genom att använda nya material och nya tekniska lösningar vid tillverkning.

Konstruktion

Allmänt

Den direkta omvandlingen av solljus till elektrisk energi - utan omväg över vattenkraft, vindkraft eller biomassa - är en ur miljösynpunkt mycket ren process, samtidigt som det innebär en utmaning att framställa något som kan åstadkomma en energiomvandling som är avsevärt effektivare än naturens egna lösningar.

Halvledare

Halvledare kallas ämnen som leder ström betydligt sämre än t ex metaller, dock utan att vara isolatorer. Till halvledare räknas ämnen som t ex kisel och germanium.

I en kiselkristall är atomerna ordnade i en regelbunden kristallstruktur. Detta kan betraktas som en kub med en atom i mitten och fyra atomer i kubens hörn som bilden nedan visar. Varje atom har fyra elektroner i sitt yttersta elektronskal och är därför sammanbundna med fyra andra atomer med s k elektronparbindning. Varje "centrum-atom" i en kub är samtidigt "hörn-atom" i nästa kub. Detta ger en mycket stabil atomkonstruktion samtidigt som det ger en dålig ledningsförmåga.

Om man byter ut en kiselatom i kristallstrukturen mot en atom med fem elektroner i yttersta skalet, t ex arsenik, används fyra elektroner till bindningen medan den femte blir fri och kan leda elektricitet. Man säger att materialet blivit n-ledande eftersom ledningen sker med hjälp av negativa laddningar (elektroner).

Om man i stället byter ut en kiselatom i kristallstrukturen mot en atom med tre elektroner i yttersta skalet, t ex bor, uppstår ett "hål" i bindningen där en elektron saknas. Materialet har blivit p-ledande eftersom det är fråga om en positiv laddning (egentligen avsaknad av en elektron).

Hur fungerar en solcell?

När solcellen belyses polariseras den så att framsidan blir negativt och baksidan positivt laddad. Med metallkontakter (framsidans kontakt är gallerformad för att släppa in ljus i cellmaterialet) samlar man upp laddningen som kan erhållas som ström i en yttre krets.

Hur tillverkar man en solcell?

Det översta lagret (skyddslagret) i en solcell måste uppfylla två viktiga krav, dels skall det släppa igenom så mycket solljus som möjligt, och dels skall det skydda solcellen från inverkan av väder och vind. Så mycket som möjligt av solenergin måste släppas igenom skyddslagret till själva solcellen. Varje skyddsmaterial som absorberar solenergi kommer att reducera effekten i solcellen. Detta översta lager består därför vanligtvis av glas med lågt järninnehåll.

Etanvinylacetat, EVA, är ett plastmaterial med god ledningsförmåga och relativt hög smältpunkt. EVA är det material som används för att fästa skyddsglaset vid solcellen och även för att fästa solcellen vid materialet på solcellens baksida. Som bottenplatta används något lämpligt plastmaterial eller en metallplatta av t ex aluminium. Metallkontakter fästs på solcellens över- och undersida. Den övre kontakten på en solcell fästs därefter till den undre kontakten på nästa solcell. Denna solcellsmodul placeras mellan två lager av EVA-plast. Därefter läggs glasskivan ovanpå och bottenplattan under. Denna "sandwich" av olika material placeras i en het vakuumkammare där alla luftbubblor tas bort, och där EVA-plasten smälter och förseglar utrymmena mellan glaset, solcellen och bottenplattan.

Om luftbubblorna inte tas bort innan solcellen förseglas, kommer de med största sannolikhet att expandera i solvärmen, och därigenom förstöra hela solcellens funktion. En aluminiumram fästs runt solcellsmodulen, som sedan monteras på t ex ett hustak.

Verkningsgrad

Mängden el som solcellen producerar är proportionell mot solljusets intensitet och solcellens verkningsgrad. I kommersiell produktion kan man idag uppnå c:a 18%. Vid en instrålning av 1000 W/ m2, vilket motsvarar klar sol, ger en solcell på 1 dm2 alltså 1,8 W. Man brukar kalla detta för solcellens toppeffekt. En kiselsolcell ger c:a 0.5 V, vilket är i minsta laget för att vara användbart. Därför seriekopplar man ett lämpligt antal, vanligen 30-36 st, vilket ger en spänning lämplig för laddning av 12 volts blyackumulatorer.

Denna verkningsgrad (18%) kan tyckas vara låg, men som jämförelse kan nämnas att i biobränslen lagras högst 1-2% av solenergin och alla fossila bränslen är ju biobränsle som omvandlats. Det vore naturligvis önskvärt om solceller kunde bli effektivare, men att verkningsgraden befinner sig så långt från 100%, beror till huvudsak på solen själv.

Solljuset innehåller ett helt spektrum av våglängder. Solcellen däremot är egentligen bara bra på att ta upp energi på en enda våglängd, nämligen den som motsvaras av halvledarens s k bandgap.

Att välja rätt bandgap

Bandgapet är ett energigap inom vilket elektronerna ej kan anta energitillstånd, det kallas också "det förbjudna bandgapet". Ljus som innehåller mindre energi än halvledarens bandgap absorberas inte alls. Det kan därför inte omvandlas till elektricitet, utan passerar rakt igenom halvledarmaterialet och absorberas först i baksideskontakten av metall, där ljusenergin omvandlas till oönskad värme. Värme utvecklas också av de fotoner som innehåller mer energi än vad elektronerna behöver för att exiteras. När en infallande foton överför sin energi till en elektron exiteras elektronen från ett tillstånd vid den undre kanten av bandgapet, det s k valensbandet (EV), till ett tillstånd ovanför den övre kanten på bandgapet, det s k ledningsbandet (EL). (B illustrerar detta). Fotonen måste innehålla energi minst motsvarande bandgapet, annars sker ingen upptagning av ljus. (A illustrerar detta). En elektron som exiteras långt över den övre kanten av bandgapet, kommer snabbt att förlora energi i form av värme, tills dess den når ett tillstånd precis vid den övre bandgapskanten, (C illustrerar detta).

Infall av ljus i en halvledare ger alltså upphov till rörliga laddningsbärare i form av "hål" i valensbandet och elektroner i ledningsbandet. Det är dessa som ger upphov till den elektriska ström som kan erhållas ur en solcell. För att detta skall ske krävs också att det finns ett inbyggt elektriskt fält i solcellen, pn-övergången.

Tandemceller kan höja verkningsgraden

Ett sätt att minska förlusterna relaterade till bandgapsproblem är att placera en cell med lägre bandgap bakom den första cellen. I denna bakre cell kommer det ljus som gick rakt igenom den första att absorberas och omvandlas till elektricitet. En sådan tandemkonstruktion kan i teorin nå 40-45% verkningsgrad och i praktiken har över 30% erhållits i avancerade experimentceller.

Man kan dock inte, på grund av optiska förluster och reflektion i de olika skikten, stapla hur många celler som helst på varandra, utan två eller tre celler i rad är maximum.

Materialutveckling

Enkristallint kisel är naturligtvis det basmaterial som främst använts, eftersom stor erfarenhet av detta finns inom elektronikindustrin. Tillverkningsprocessen för högrena enkristallina kiselbrickor är dock redan högt utvecklad och det finns därför inte så stort hopp om ekonomisk effektivisering även om produktionsvolymen drastiskt skulle ökas för att tillgodose ett tilltänkt behov av solceller.

Gallium - Arsenik, (GaAs), är en annan kombination av halvledarmaterial som ofta används inom rymdteknologin. Denna typ har uppmätts till 30% effektivitet.

En annan linje i solcellsutvecklingen är att utnyttja tunna filmer där den aktiva halvledaren är ett tunt skikt av antingen flerkristallint kisel eller ett amorft ämne. (Med amorft menas ett ämne som saknar kristallens regelbundna uppbyggnad). Det finns flera skäl till att s k tunnfilmsmoduler kan bli avsevärt billigare än moduler baserade på kristallina kiselceller:

Som namnet antyder består cellen av en tunn film, endast några mikrometer tjock, medan kristallina celler är 100 gånger tjockare. Det innebär att det går åt betydligt mindre - dyrt - halvledarmaterial för tunnfilmsceller. För kristallina celler är kostnaden för själva kislet en stor del, men för tunnfilmsceller kan kostnaden för halvledarmaterialet försummas. Det finns flera olika metoder att belägga stora ytor. Det innebär att metoderna är lämpliga för hög produktionshastighet och automatisering. När det gäller kristallina celler måste man tillverka dem styckevis och därefter montera ihop till moduler. Tunnfilmsmoduler däremot, kan tillverkas direkt genom att de skikt som bygger upp cellen ritsas mekaniskt eller med laser på ett sådant sätt att seriekoppling av lämpligt antal sker.

Amorft kisel har, trots att de ingående atomerna är desamma, helt andra egenskaper är kristallint kisel. Bland annat har det en högre ljusabsorbtion, vilket är en nödvändighet för att cellen skall kunna göras tunn. Amorft kisel är också det tunnfilmsmaterial som tagit mest utvecklingsresurser i anspråk under 80-talet. Amorfa moduler presenterades på marknaden 1984. År 1996 bestod 15% av världsproduktionen av amorfa kiselceller. De används mest i konsumentprodukter och har en verkningsgrad på 5-7%.

Kadmium - Tellur (CdTe) är ett poly-kristallint material som i effektivitet i produktions-modul uppmätts till c:a 7%. Det finns inte på marknaden ännu, men har visat sig vara lovande vad avser produktionskostnader.

Koppar - Indium - Selen (CuInSe2, även kallat CIS) är även detta ett poly-kristallint material som ännu inte finns på marknaden, men som har visat ännu bättre verkningsgrad (10,2%). Problemet med CIS är ännu så länge av kvalitetskaraktär vid tillverkningen.

Användningsområden

När man tänker på solceller kanske man ser en inre bild av något slags framtidssamhälle helt utan miljöfarliga energikällor. Men i många fall så behöver man inte ens gå så långt för att hitta dessa exotiska celler. Tittar man till exempel på ett vanligt skrivbord hittar man ett av teknikernas favoritverktyg; miniräknaren. Den kan mycket väl vara solcellsdriven. I det här fallet har den dock oftast en kombination av solceller och batterier eftersom man kan behöva räkna även efter det att solen gått ned.

Solceller används mest på platser som ligger långt från ordinarie elnät. På satelliter är solceller den vanligaste energikällan. Andra tillämpningar är fyrar, radiostationer, trafikljus, på segelbåtar, vattenpumpar, samt radio och TV i u-länder. Det finns även många "småprojekt", som t.ex. den solcellsdrivna kepsen.

Elektricitet från solceller är dyrare än den från vattenkraft eller annan vanlig elgenerering. Vid storskalig framställning kan dock solceller i framtiden bli så billiga att solcellskraftverk blir ekonomiskt lönsamma. Som en jämförelse kostar i dag solenergi ungefär 8 kr/kWh, medan kärnenergi bara kostar 13-18 öre/kWh.

Solcellpanelen förväxlas lätt med den plana solfångaren. De ser nästan likadana ut med fungerar på olika sätt. Solcellerna omvandlar solljuset till elektrisk ström, som lagras i ett batteri, medan solfångarna istället omvandlar ljus till värme som lagras i en vattentank.

Klockföretaget Swatch har köpt patent på att göra glaset i deras klockor av s k Grätzelceller. Detta medför att klockan endast behöver några få minuter i solen för att kunna fungera en hel dag. Dessa solcellers livslängd är uppemot 50 år.

Bostäder

Med en solcellpanel, ett batteri och en laddningsregulator kan man ordna sitt eget elsystem i fritidshuset. Tekniken är enkel och har inga negativa miljöeffekter. Flera stugägare i Kalvö koloniområde har av ekonomiska skäl investerat i solcell-anläggningar. Det skulle ha kostat koloniföreningen 20 000 kr/hushåll att ansluta sig till det kommunala elnätet.

Kan man då verkligen klara sitt elbehov genom solceller?

Om man täcker 70 m2 tak med solceller med 12% verkningsgrad, får vi i Sverige en årlig solinstrålning mot en sådan yta motsvarande 1150 kWh/m2. Detta medför att vi årligen får ut runt 8000 kWh. Då är även diverse förluster, beroende på t.ex. nedsmutsning och icke 100 % verkningsgrad i växelriktare, avdragna. Vi kan därför dra slutsatsen att elproduktionen räcker till en familj boende i villan.

Problemet är dock fortfarande att elbehovet är störst när solen inte skiner och därför behövs någon form av lagringsmöjlighet.

Det vanligaste sättet att lagra på är att använda batterier (ackumulatorer). I ett självförsörjande hus ingår solcellsmoduler, en uppsättning ackumulatorer samt laddningsregulatorer. Dessa sistnämnda används eftersom det för batteriernas livslängds skull är viktigt att de inte överladdas eller urladdas för djupt. Om man har flera batterier skall man också se till så att de är lika gamla.

Ett annat sätt är att använda det ordinarie elnätet som lager. Det innebär att man köper el från nätet då man har underskott och säljer när man har överskott. Då behöver man förutom det ovan nämnda även en växelriktare för att omvandla likspänningen från solcellerna till 220 V växelström och en speciell elmätare som mäter hur mycket el man levererar till nätet.

Redan idag finns fyrtio tusen norska fritidshus som får all sin el från solcellspaneler. Under veckorna laddas batterierna så att det finns el till både belysning, TV och kylskåp under helgen. Med lite effektivare och större paneler och bättre batterier skulle solljuset under soliga veckor räcka till både sommar som vinter.

I Sverige finns ännu inte någon kommersiell elproduktion från solceller. Däremot finns nätanslutna demonstrationsanläggningar. Den största har en toppeffekt på 10kW och finns på Ringvägen i Stockholm. Mindre anläggningar för privat bruk med batterilagring finns på ungefär 20 000 platser, främst i sommarstugor. Dessa kan tillsammans producera 1,3 MW el. I Gällivare finns en fabrik som sätter samman solcellsmoduler av kristallint kisel. De har en produktionskapacitet på 5 MW per år och är en av de största modultillverkarna i Europa. Själva solcellerna importeras dock från Italien.

Bullerö

En självförsörjande elanläggning som denna på Bullerö inkluderar solceller, batterier och laddningsregulator. Spänningen från panelerna går via en 48 volts- kabel upp till Stakes hus, där den lagras i 38 st NiCd- batterier. En transformator omvandlar spänningen till 12 volt så att den skall kunna användas i huset. Hela anläggningen ger den totala effekten 1,5 kW. Livslängden på dessa solceller är ca 25-30 år. Sedan våren -91 har man kompletterat med en vindgenerator, ifall solen skiner dåligt. Där det kostar för mycket att dra en elkabel, och där man inte gör av med så mycket el, är solceller i kombination med t.ex vindkraft en mycket bra lösning, enligt Johan Stake.

Mångfunktionella solcellsfasader - en ny utmaning

Under de senaste årtiondena har det blivit väldigt populärt att använda glas som materiel till fasader på stora byggnader, så som t.ex. kontor, offentliga byggnader, hotell, köpcentrum och fabriker.

Som ett logiskt steg fick glasindustrin idén att inkludera solceller i fasadens element för att generera elektricitet. Flachglas Solartechnik i Tyskland utvecklade den här nya typen av solcellfasadelement för en offentlig byggnad. I maj 1991 invigdes fasaden och systemet fick firmanamnet OPTISOL, och orsakade ett omfattande intresse hos bl.a. arkitekter och investerare.

Fasaden har skapats tillsammans med ett företag som tillverkar stödstommar av metall. Den långt drivna tekniken, i kombination med pålitlighet och estetisk formgivning har positivt påverkat flera beslut om nya projekt. Ytterligare 15 byggnader har fått denna typ av "solcellsfasad" sedan dess.

Solcellerna är inbäddade i en speciell gjutform mellan två glasrutor. OPTISOLs element kan produceras i storlekar upp till 2,1 m × 3,2 m. Ljusets genomträngande kan justeras enligt önskemål, genom att arrangera solcellerna på olika sätt. På begäran kan man bygga solcellfasadelementen som isolation mot överhettning , som bullerskydd eller som säkerhetsglas.

Solbils-tävling

Vart tredje år hålls en tävling mellan bilar som är framdrivna med hjälp av solceller som enda laddningsaggregat. Tävlingen hålls i Australien av förklarliga skäl, ty solcellerna kräver ju en hel del sol för att fungera på topp. Deltagarna är oftast inte de bästa förarna och fordonen som vinner är inte nödvändigtvis de snabbaste. Man måste vara taktisk och bygga en bil som håller, eftersom att gå i mål ändå är det som räknas högst för de flesta deltagarna. Med tanke på drivkällan, solen, så måste man säga att "The World Solar Car Challenge" är världens renaste bilrace.

Tävlingen attraherar deltagare från hela världen, eftersom det inte bara är en tävling utan även ett tekniskt äventyr; ett ganska ofarligt sätt att tänja på gränserna och ett sätt att öppna dörrar för framtiden. De fossila bränslen dagens bilar drivs med beräknas ta slut inom en snar framtid, så kanske är soldrivna bilar svaret i en framtid utan fossila bränslen. På så vis kan man se människorna som ställer upp i tävlingen som pionjärer. Solcellsbilar idag är dock bara en dröm på grund av att vi varken har tillräckligt effektiva eller billiga solceller och ackumulatorer.

Tävlingen går ut på att man ska ta sig den ansenliga sträckan av 3000 kilometer på kortast möjliga tid. Tävlingen följer Stuart Highway som går mellan Darwin och Adelaide. Det är ett av världens mest arrida områden som skall passeras. Organisatören och grundaren av tävlingen, Hans Tholstrup, körde sträckan med sin "Quiet Achiever" redan 1982. Den första tävlingen hölls 1987 och vanns av General Motors med sin "Sunraycer". De tillryggalade sträckan på cirka 45 timmar, vilket motsvarar en snitthastighet på cirka 67 km/h. 1990 vanns tävlingen av "Spirit of Biel" men inga tider slogs på grund av ofördelaktigt väder för solcellerna. Solcellerna var tillverkade på University of New South Wales center för solenergisystem. Eftersom tävlingen nu hålls var tredje år så var man tvungna att inför 1993 års tävling införa speciella regler för vad fordonen skulle ha för säkerhetsutrustning. Man bestämde då att de skulle ha blinkers, säkerhetsbälten och bromsljus. Kvalgräns sattes till att fordonen minst skulle kunna hålla en medelhastighet på 36 km/h. Man införde även restriktioner för att begränsa bilarnas storlek. Maximala ytan för solceller begränsades också för att göra tävlingen till mer av en sport. Ackumulatorer fick medföras, men högsta tillåtna kapaciteten i dessa var satt till 5 kWh. Ackumulatorn var till för att ge bilarna kraft vid eventuellt molnigt väder eller vid omkörningar av medtävlanden. Tävlingstiden var mellan 0800-1700 eftersom det då finns mest tillgång till sol. Sol på övrig tid fick användas för att ladda batterierna (!).

1993 deltog 55 lag med lagmedlemmar från 17 länder. Deltagarna var allt ifrån människor med teknikintresse till biltillverkare. Den större delen av deltagarna var glada amatörer som byggt sina fordon som fritidssysselsättning. Universitetsprojekt som deltog visade även framfötterna mot de stora biljättarna. Ett sådant exempel var den Schweiziska universitetsbilen "Spirit of Biel" som höll ledningen under stora delar av loppet. Loppet vanns dock av Hondas bil "Dream" efter det att "Spirit of Biel" fått tekniska problem. Hondas bil rullade i mål som etta med en snitthastighet av 84.9 km/h. Detta innebar att man slog det tidigare banrekordet med nio timmar. "Spirit of Biel" tog sig i mål som tvåa med snitthastigheten 78 km/h.

Bilarna är inte enbart kända för sina solceller, utan även för den optimerade designen, bl a används moderna plaster för att reducera vikten. Designen är viktig eftersom man måste ha så lågt luftmotstånd som möjligt för att få någon fart på bilarna. Redan vid en hastighet på 40 km/h krävs en bra design för att bilen skall gå fort samtidigt som motorn inte ska kräva för mycket energi. Bilarna ser mer ut som ufo:n än bilar. Detta beror på att man måste ha en viss yta avsatt för de skrymmande solcellerna samt att man som sagt strävar efter att hålla nere luftmotståndet. De flesta bilarna är platta och breda för att rymma solcellerna och har en profil påminnande om en flygplansvinge. Hjulen är bara cirka 4 centimeter breda för att reducera friktionen.

En annan förbättring man på senare tid gjort är att montera motorn så att den har direktdrift på hjulaxeln. På så vis slipper man de effektförluster som man erfor med kedjeöverföring av kraften. Ackumulatorerna är i de rikare lagens bilar de absolut modernaste man kan få tag på, de ska ju ge 5 kWh och då helst väga så lite som möjligt. De fattigare lagen använder därför vanliga blyackumulatorer medan de rika använder mer effektiva och exotiska silver-zink ackumulatorer.

Utveckling av elbilar har gått framåt efter det att man iakttagit "World Solar Challenge". Bland annat har General Motors öppnat ögonen för eldrift mycket tack vare att man sett goda resultat under tävlingarna. Man har nu byggt modellen EV-1 som nyligen släppts på den amerikanska marknaden. GM har dock inte nog med förtroende för att sälja sina EV-1:or, så man kan istället hyra dem på tre år och har då hela tiden rätt att uppgradera dem allteftersom ny teknik tillkommer. Än så länge går det bara att hyra dessa i Californien där solen inte är en bristvara (man vet inte riktigt hur kyla påverkar bilen). I framtiden kan bilen tänkas utrustas med solceller som gott och väl kan driva bilen under soliga dagar.

Utveckling och forskning

När en växt omvandlar solljus till kemisk energi i fotosyntesen är det färgämnet klorofyll som fångar upp solljuset. Då lyfts elektroner i klorofyllet till en högre energinivå. Samtidigt uppstår lediga platser efter de negativa elektronerna. Dessa platser kallas hål och uppträder som laddningsbärare med positiv laddning. Elektronerna fångas upp av ett membran, genom vilka de transporteras. På membranets utsida används elektronernas laddning till att framställa energirika kolhydrater. Målet för den konstgjorda fotosyntes som tillämpas i våta solceller är inte att tillverka kolhydrater utan att framställa elektricitet eller ett bränsle, men principen är det samma.

Den våta solcellen

Den våta solcellen består av två så kallade elektroder och en elektrolyt (en elektriskt ledande vätska). Den ena elektrolyten kallas arbetselektrod och består av bland annat titandioxid, som är ett så kallat halvledarmaterial (se bild nedan). Titandioxidens yta har belagts med ett färgämne som fångar upp solljuset. När ljuset träffar färgämnet lyfts elektroner till ett högre energitillstånd och då fångar titandioxiden upp dessa elektroner och skickar iväg dem för att uträtta ett arbete (t ex ladda ett batteri). När elektronerna har uträttat sitt arbete går de vidare till motelektroden för att sedan gå vidare och på nytt uppnå ett högre energitillstånd.

Solljuset fångas in av färgämnet i arbetselektroden. Elektroner frigörs. De transporteras via en ledning och uträttar ett arbete. Därefter vandrar de vidare till motelektroden och tas upp av elektrolyten. Den har genom sina joner förmåga att både ta upp och avge elektroner, vilket i sin tur ger att elektrolyten lämnar elektronerna till arbetselektroden. Kretsen är sluten.

Grätzel-cellen

Principen för den våta solcellen har varit känd i över 20 år. Svårigheten har varit att färgämnet har fångat upp och omvandlat en allt för liten del av det infallande ljuset, och det betyder dålig verkningsgrad. Försök gjordes med att lägga på flera lager färgämne men de yttersta lagren fungerade bara som ett ljusfilter och gjorde då ingen nytta. Felet var att man hade lagt titandioxiden med sin färgbeläggning på en allt för slät yta. Det Grätzel kom på var att göra ytan så skrovlig och ojämn som möjligt för att ljuset skulle träffa på flera ställen (se bild nedan). Grätzel använder partiklar av titandioxid och tillverkar en tunn film av dessa. Filmen blir porös, men inte tjockare än 5 mm. Ytan som kan beläggas med färgämnet förstoras på detta sätt närmare 500 gånger. Därmed fångar Grätzels solcell upp mer ljus än tidigare våta solceller. Solljuset är ju en blandning av olika färger, och Grätzels solcell omvandlar nästan 90% av den gröna delen av infallande synligt ljus till elektrisk ström.

Grätzels solcell, som också kallas G-cell, kan byggas av två glasskivor som läggs ihop(se bild nedan). Glasskivorna är basen för var sin elektrod, och båda täcks på en sida av ett genomskinligt skikt av ett ledande material. På den glasskiva som är arbetselektrod finns den porösa filmen av titandioxid med ett färgämne. Glasskivorna förses med ledningar, kläms ihop och doppas i en elektrolyt. Tack vare kapillärkraften sugs elektrolyten upp mellan glasen och fyller håligheterna i den porösa titandioxidfilmen. Om kanterna sedan förseglas finns en modul färdig att tas i bruk.

Det ledande skiktet i elektroderna består av tenndioxid med tillsats av fluor. När de båda elektroderna har klämts ihop doppas de i en elektrolyt, som sugs upp mellan elektroderna och fyller håligheterna i den porösa titandioxiden.

I fullt dagsljus är G-cellens verkningsgrad 15%, vilket kan jämföras med kiselsolcellens cirka 18%. Men i molnigt väder är värdena omvända, och moln får man räkna med i Sverige. Det intressanta med G-cellen är dessutom att den inte tappar särskilt mycket spänning när ljusets intensitet minskar under t ex vinterhalvåret. Strömmen sjunker, men spänningen förblir hög vid molnigt väder, och detta är en klar fördel när batterier ska laddas.

För att höja verkningsgraden pågår forskningen med att byta elektrolyt, för den som används nu har den egenskapen att den avger en elektron i taget ,vilket resulterar i att spänningen varje cell levererar är cirka 0,7 V. Om man kan tillverka en elektrolyt som är villig att släppa två elektroner i taget, så har man direkt dubbla verkningsgraden, och får varje cell att leverera cirka 1,4 V.

G-cellens stora fördel är att den är billig att tillverka. Materialet är billigt. Det är egentligen bara glaset med det ledande skiktet som är dyrt. Dessutom används enkla metoder vid tillverkning. Priset för en färdig modul ligger på omkring 600 kr/ m2 , vilket motsvarar en femtedel av vad kiselmodulerna kostar, men inom något eller några år kommer det att kosta ungefär 300 kr/ m2, vilket närmar sig priset för vanliga taktäcknings-material. Om cellerna har en livstid på 15 år blir priset per kilowattimme cirka 50 öre, och om de håller 20 år är vi nere på 35 öre per kilowattimme.

Solkraft från rymden

"Solpaneler i storleksordningen 5 * 10 kilometer som svävar i rymden, medan de omvandlar solljus till elektricitet som sänds till jorden med hjälp av mikrovågor". Så har de amerikanska forskarna tänkt att värdens energibehov ska vara
löst om cirka femtio år.

Varför rymden? Jo ljuset är mycket intensivare i rymden än vid jordytan.

För tjugo år sedan lade den tjeckiske forskaren Peter E. Glaser fram det här förslaget, men det lades i skrivbordslådan på grund av de enorma kostnaderna. Nu har man tagit upp förslaget igen och planeringen är i full gång. Planerna är att ha en funktionsduglig solkraftssatellit i drift år 2040.

Överföringen är tänkt att gå via mikrovågor. Först tänkte man använda laser, men laserstrålen försvagas av moln, så mikrovågor får det bli. Den elektriska kraften från solcellerna omvandlas till mikrovågor och sänds till jorden från en antenn med ett tvärsnitt på cirka en kilometer. Mottagarantennen på marken är ellipsformad och har en utsträckning på 10 * 13 kilometer. Utanför själva antennen ska man då ha en säkerhetszon på 700 meter, vilket ger en total yta på cirka 150 kvadratkilometer. Mottagarantennen består av en serie paneler, monterade vinkelrätt mot den inkommande mikrovågstrålen. Panelerna omvandlar cirka 85% till elektricitet, vilket enligt beräkningar motsvarar fem stora kärnkraftverk eller 5000 MW.

Det som har varit problemet fram till nu är priset. Det skulle kosta cirka 3300 miljarder dollar att tillverka och skjuta upp en solkraftssatellit, men nu har man upptäckt att huvuddelen av råvarorna, (96%), finns att hämtas på månen, vilket resulterar i att priset för uppskjutningen sjunker till 3% av ursprungspriset. Månbasen är under planering.

Källförteckning:

Böcker, tidskrifter m m:

"Basic Photovoltaic Principels and Methods", Solar Energy Research Institut
Bonniers Stora Lexikon band nr.12 1989 års upplaga
Brännpunkt Energi, Naturvetenskapliga forskningsrådets årsbok 1990.
Fakta nr2-90
"Generating Electricity from the Sun", Fred C Treble
Handla el - effektivt, Svenska Naturskyddsföreningen (1992)
LAND nr 43 (1996)
Ny Teknik nr 36 (1996)
Photovoltaic Specialists Conference, vol 1 (1994)
"Revisiting solar power`s past", Charles Smith
"Semiconductors for Solar Cells", Hans Joachim Möller
"Solceller; Forskning, teknik och ekonomi", NUTEK
"Technology Review: July 95: Solar Power"
Uppslagsverk; How it Works
Uppslagsverk; Nationalencyklopedin

Länkar till relaterade WWW-sajter:

http://dcwww.epfl.ch/icp/ICP-2/solarcell_E.html
http://emsolar.ee.tu-berlin.de/indexpage_engl.html
http://fy.chalmers.se/~apell/proj/node11.html
http://galaxy.einet.net
http://lesowww.epfl.ch/other_links.html#Solar_Energy
http://niels.che.chalmers.se/~bertilh/StJ/SESJ.html
http://osf01.cc.rl.ac.uk/info/press/press95/pn19_95.htm
http://pss.fit.edu/solarproj1.html
http://solstice.crest.org/
http://web01.energy.wsu.edu/ep/eic/eiclinks.htm
http://www.ariadne-t.gr/phaethon/solar/solar.html
http://www.crest.org/renewables/dish-stirling/
http://www.csc.peachnet.edu/Schools/AS/NatSci/brooke/sci221/s221ch12.html
http://www.cuug.ab.ca:8001/^hrynkiwd/beam:3.html
http://www.entek.chalmers.se/pvnews.html
http://www.iesd.dmu.ac.uk/~slb/wcpv.html
http://www.ise.fhg.de/Press_Info/PI..96-8.english.html
http://www.jmk.su.se/jmk/stud/v96-40/n-gramar/MorgEn.html
http://www.lib.kth.se/intsubj.html
http://www.livelinks.com/sumeria/free/edwards.html
http://www.net5000.com/home/energy.htm
http://www.nosc.mil/planet_earth/science.html
http://www.pv.unsw.edu.au/95annrep/resstrat.html
http://www.pvpower.com/
http://www.rt66.com/rbahm/seintro.htm
http://www.sandia.gov/renewable_Energy/PV_NOW/FR_should.html#first
http://www.teleport.com/~chrisdb/project/#solarplants
http://www.ttcorp.com/upvg/pressrel/pr95alam.htm
http://www.users.wineasy.se/joe.hill/solenergi.html
http://www-phase.c-strasbourg.fr/solpages.html

Ett stort tack till:

• Magnus Karlsteen, Institutionen för fysik och teknisk fysik, Chalmers
• Julius Glaser, Institutionen för oorganisk kemi, KTH