Tekniken

Hur en solcell fungerar - från solljus till glödlampa

Skrivet av Anders den 20 juli, 2016

Här beskriver vi hur en solcell fungerar och hur solljus kan bli till elektriskt ljus i en glödlampa

Att solcellen levererar energi som är användbar för oss när den träffas av solljus, ja det vet du redan. Men nu kanske du undrar hur det egentligen går till? Det ska vi svara på här.

De vanliga solcellernas viktigaste komponent är kristallint kisel. Kisel är vad som kallas en halvledare. En halvledare är ett material som leder ström sämre än ledare som exempelvis koppar men bättre än isolatorer så som porslin.

Kiselatomens yttersta lager förmår binda åtta elektroner men innehåller i sin grundform endast fyra elektroner. Var atom önskar dock fylla upp samtliga sina tomma bindningar och kiselatomerna klumpas därför samman. Man kan se det som att kiselatomerna delar elektroner med varandra. Därav den kristallina strukturen.

I kristallint kisel är alltså alla elektroner bundna till en atom. För att solcellen ska kunna utföra arbete åt oss måste vi se till att det också finns tillgång till fria elektroner. Processen att få tillgång till fria elektroner går till som så att man tillför ett annat ämne, exempelvis fosfor, till den kristallina kiselstrukturen. Vad vi gör är att vi byter ut några av kiselatomerna mot fosforatomer. Fosfor innehåller fem elektroner mot kislets fyra elektroner. Denna process kallas att man dopar kiselstrukturen.

När kisel med sina fyra elektroner binds till fosfor med fem elektroner får vi en elektron över.

Att dopa kisel med fosfor ger alltså ett överskott av elektroner och eftersom elektroner är negativt laddade kallas detta för att skiktet blir N-dopat.

För att solcellen ska fungera som tänkt måste vi tillse att vi också har någonstans för överskottet av elektroner att ta vägen. Vi behöver därför åter ett stycke kristallint kisel. Denna gång tillför vi istället ett annat ämne, nämligen bor. Bor har endast tre elektroner i sitt yttre fält. Detta ger att när boratomerna binds till kiselatomerna så får vi en bindningsmöjlighet över.

Eftersom elektronen är negativ så är den tomma bindningsmöjligheten att betrakta som positiv. En bindningsmöjlighet kallas med ett annat ord för ett elektronhål.

Att dopa kiselstrukturen med bor kallas till följd av elktronhålets positiva bindningsmöjlighet för P-doping.

Nu har vi en N-dopad och en P-dopad del. Var för sig gör de ingen nytta men när de förs samman påbörjas den för solceller nödvändiga processen.

Det som sker när vi sammanfogar N-delen med P-delen är att de löst bundna elektronerna på N-sidan får en möjlighet att fylla elektronhålen på P-sidan. Alla elektroner på N-sidan kan dock inte ta sig till hålen på P-sidan.

Orsaken till detta är att när de elektroner och de elektronhål som befinner sig i gränsskiktet (PN-övergångnen) mellan N-sidan och P-sidan integrerar med varandra uppstår ett spärrskikt. Detta innebär att vi uppnår ett jämnviktsläge mellan elektroner och elektronhål dvs. ett elektriskt fält bildas.

Det elektriska fältet i PN-övergången fungerar som en så kallad diod. En diod innebär ett elektriskt fält som idealt leder ström i endast en riktning (från pluspol till minuspol)

Vad som sker är att det elektriska fältet i PN-övergången flyttar elektroner från P-sidan till N-sidan. Dvs motsatt det som tidigare skedde innan spärrskiktet uppstått.

När solljus sedan träffar P-sidan slår dess fotoner loss elektroner från sina bindningar. Det ger oss både en fri elektron och ett fritt elektronhål på P-sidan.

Om en fri elektron på P-sidan kommer tillräkligt nära PN-skiktet då kommer det elektriska fältet där att skicka över den till N-sidan. Dvs den sida som från början redan hade ett överskott på elektroner.

På motsatt vis kommer fotoner som träffar och lösgör elektroner på N-sidan leda till att det elketronhål som uppstår då kommer att flyttas från N-sidan till P-sidan.

Detta kan betraktas som en process som leder till att N-sidan successivt blir mer och mer negativ samtidigt som P-sidan successivt blir allt mer positiv. I och med detta har vi möjlighet att få solcellen att utföra arbete åt oss. Det sker genom att vi kopplar en extern förbindelse mellan N-sidan och P-sidna. På så vis får vi en ström av elektroner genom den externa förbindelsen från N-sidan till P-sidan. På vägen kan vi ansluta exempelvis en glödlampa.

Vad som sker om vi ansluter en glödlampa är att elektronerna i strömmen då den passerar glödlampans glödtråd kolliderar med atomerna i glödtråden (detta kallas för motstånd eller resisans), elektronerna förlorar då en del av sin energi vilket leder till att glödtråden värms upp. Alla föremål som värms upp avger strålning och glödtråden blir så varm att den avger strålning i form av synligt ljus. På så vis får vi med hjälp av solen genom solcellen elektriskt ljus i våra hem.