Dette blogginnlegget utforsker om solceller kan tjene som en alternativ løsning på problemene med overdrevent ressursforbruk og energitap.
Tenk deg en jord uten solen. Jorden ville blitt en gold planet hvor det ikke kunne eksistere liv. Siden jordens fødsel har solen kontinuerlig sendt enorme mengder lysenergi til planeten vår. Nesten alt liv på jorden trives med energi lagret gjennom plantefotosyntese. Selv petroleum, menneskehetens mest brukte energikilde, er et resultat av lenge døde organismer som har blitt forvandlet dypt inne i jorden over evigheter. Den moderne sivilisasjonen forbruker og utarmer ressurser som er akkumulert solenergi. Hvis alle energikilder skulle bli uttømt, hvor ville menneskeheten få energi? Kunne vi ikke direkte utnytte lysenergien som strømmer fra solen allerede i dette øyeblikket? Svaret ligger i solceller.
Solceller er enheter som konverterer solens lysenergi til elektrisitet. Blant disse er silisiumsolceller for tiden de mest brukte på grunn av deres høye effektivitet, relativt lave kostnad og enkle produksjon. Strukturen til en silisiumsolcelle er ganske enkel, og består kun av to typer silisiumhalvledere som er koblet sammen. Så hvordan konverterer en silisiumhalvleder lys til elektrisitet? Hemmeligheten ligger i elektronene i silisiumet. I en stabil tilstand er elektronene bundet til atomkjernen og kan ikke bevege seg fritt. Men når et elektron absorberer energi og blir eksitert, får det evnen til å bevege seg fritt. Disse energiserte elektronene kalles frie elektroner. Lys bærer energi. Når lys kolliderer med elektroner i et materiale, absorberer elektronene denne energien og blir frie elektroner. Disse frie elektronene beveger seg deretter langs en elektrisk krets og leverer energi der den trengs. Derfor kan en solcelle betraktes som en slags pumpe. Sollys fungerer som en pumpe, og løfter elektroner for å skape en strøm som utfører arbeid.
Dette reiser et spørsmål: siden elektroner finnes i alle atomer, kan et hvilket som helst materiale produsere elektrisitet bare ved å koble elektroder og eksponere det for sollys? Dessverre ikke. Problemet er at forskjellen i energi mellom stabile elektroner og eksiterte elektroner varierer etter materiale, noe som betyr at lysenergien de kan absorbere er forskjellig. Med andre ord varierer pumpehøyden etter materiale. Lys kan klassifiseres i forskjellige typer basert på energien. Blant disse utgjør infrarødt og synlig lys en høy andel av sollyset. Derfor må solceller effektivt absorbere infrarødt og synlig lys. Pumpehøyden i isolatorer er imidlertid for høy, noe som hindrer solen i å løfte elektroner helt opp. Omvendt er pumpehøyden i ledere for lav, noe som får dem til å absorbere lys med lavere energi i stedet for infrarødt og synlig lys, noe som gjør dem stort sett ineffektive. Silisium, derimot, er en halvleder, har et energibehov for elektronpumping som ligger mellom ledere og isolatorer. Dette gjør at det effektivt kan absorbere både infrarødt og synlig lys. Silisium kan betraktes som en pumpe med akkurat riktig høyde, perfekt tilpasset sollysets energi.
Så, kan solceller lages av silisium alene? Dessverre er det ikke tilstrekkelig å bare pumpe elektroner oppover. Akkurat som vann som pumpes opp er ubrukelig hvis det lekker ned igjen før det når sin tiltenkte bruk, er elektroner som absorberer energi og blir eksiterte ubrukelige hvis de ikke kan bevege seg inn i kretsen. Derfor er det nødvendig med en skikkelig bane for å transportere elektronene som pumpes opp. Det er nettopp derfor to typer silisiumhalvledere – p-type og n-type – er koblet sammen.
Silisiumatomer har fire elektroner som deltar i bindingen. To atomer bidrar hver med ett elektron for å danne en binding, og dermed danner ett atom fire bindinger for å lage en krystall. Men hvis noen silisiumatomer erstattes med atomer som fosfor (P), som har fem elektroner som deltar i bindingen, blir det gjenværende ene elektronet et fritt elektron som kan bevege seg hvor som helst. En halvleder med mange slike frie elektroner kalles en n-type halvleder. På den annen side, hvis noen silisiumatomer erstattes med atomer som bor (B), som bidrar med tre elektroner til bindingen, opprettes et hull der et elektron mangler. Dette hullet kan bevege seg som en partikkel; å forestille seg et glidende puslespill gjør det lettere å forstå. Et glidende puslespill har ett tomt spor. Når en puslespillbrikke beveger seg inn i dette sporet, blir rommet den etterlot tomt igjen. På samme måte, når et elektron ved siden av et hull beveger seg for å fylle det, ser det ut til at hullet beveger seg inn i rommet elektronet okkuperte. En halvleder med mange slike hull kalles en p-type halvleder.
Både n-type og p-type halvledere er elektrisk nøytrale i seg selv. Når de imidlertid er koblet sammen i et knutepunkt, fyller de frie elektronene fra n-type halvlederen hullene i p-type halvlederen. Dette fører til at n-type halvledersiden bærer en positiv ladning (+), og p-type halvledersiden bærer en negativ ladning (-). Ved dette knutepunktet, når elektroner absorberer lys og blir eksitert, separeres frie elektroner og hull. De negativt ladede frie elektronene beveger seg mot n-type halvlederen, mens de positivt ladede hullene beveger seg mot p-type halvlederen. Elektronene som beveger seg gjennom n-type halvlederelektroden, beveger seg til den eksterne kretsen for å utføre arbeid, og returnerer deretter gjennom p-type halvlederens positive elektrode for å rekombinere med hullene.
Solen vil gi rikelig med lysenergi uten unntak helt til den dagen menneskeheten går under. Solceller som utnytter denne energien til å produsere elektrisitet er virkelig en drømmeenergikilde. Metoden for å lage solceller er enklere enn man skulle tro. Alt som trengs er silisium, som fungerer som en pumpe for å trekke opp elektroner, og en pn-overgang, som fungerer som kanal for å flytte elektroner inn i kretsen. Ikke bare silisiumsolceller, men alle andre solceller krever bare en passende pumpe og kanal. Med litt kunnskap om materialteknikk kan hvem som helst lage en ny, innovativ solcelle og bidra til menneskehetens frelse.
