PV-solceller Barrierer og udfordringer

2013 PV-solceller Barrierer og udfordringer EN-B305 20-09-2013

Abstract In our P0-projeckt we have studied the challenges and barriers there are for the PV-solar cells to penetrate the market. We have been looking into the political aspects and the laws, both in Denmark and global. We also explained briefly how the solar cells work, but we also looked into the challenges there are for the solar cells: The efficiency, the surface area, the lifespan, the materials, the distribution and storage of the electricity and what losses there might be in the PV-processes. The solar cells are an investment, we calculated the economy of the solar cells, so we could figure out, how long it takes them to make a profit. At last we gave a reflection, in pro and cons for PV-solar cells.

Forord Denne rapport er udarbejdet af gruppen EN-B305. Opgavebeskrivelsen lød på at tage udgangspunkt i en energikilde. I Danmark har vi set en stor fremgang af solceller i de seneste år. Dette vakte vores nysgerrighed, og vi valgte derfor at bruge solceller som udgangspunkt for rapporten. Da vi undersøgte emnet nærmere, konstaterede vi, at der var flere faktorer, der bremsede udviklingen. Dette lagde grundlaget til vores problemstilling. Rapporten beskriver kort; hvordan solceller fungerer, hvilke materialer, der anvendes til fremstilling af solceller samt forskellige celletyper, økonomiske og miljømæssige aspekter, hvilke tekniske og politiske udfordringer PV-solceller står over for i dag samt hvilke mulige løsninger, der er under udvikling. Hensigten er at belyse, hvilke udfordringer vi står over for i dag med hensyn til udbredelsen af PV-solceller. X Jesper Kirkegaard Jensen X Juliane Bech Sørensen X Kaare Clement Thingstrup Pedersen X Kasper Jessen X Kasper Laugesen X Linea Rønnentoft X Signe Møller Mortensen 1

Indhold Abstract... 0 Forord... 1 Indledning... 3 Initierende Problem... 3 Problemanalyse... 3 Hvordan virker solceller?... 3 Materialer... 4 Silicium... 4 Celletyper... 5 Monokrystallinske solceller... 5 Polykrystallinske solceller... 5 Tyndfilmssolceller... 5 Forbrug... 6 Problemformulering... 8 PV-solcellers udfordringer og mulige løsninger.... 8 Drivhuseffekten... 8 Politisk... 8 Lovgivning i Danmark... 9 Nyttevirkning og tab... 10 Overfladeareal... 13 Lagring af energi fra solceller... 13 Smart grid... 14 Refleksion... 16 Konklusion... 16 Litteraturliste... 17 2

Indledning Solen er Jordens energikilde. Den forsyner os med varme og energi på trods af, at afstanden til Jorden er omkring de 150 millioner kilometer. 1 Ydermere er Solen en næsten uudtømmelig energikilde, da Solen vil blive ved med at skinne de næste mange millioner år. 2 En del af Solens stråling og dermed energi reflekteres tilbage: 6 % ved indgangen til Jordens atmosfære, 4 % af jord- og havoverfladen og 20 % af skyerne. Det vil sige, der samlet set bliver reflekteret 30 % potentiel energi tilbage igen. Dette efterlader os dog tilbage med 70 % potentiel energi, som vi kan udnytte. 3 Strålingen svarer til, at Jorden på bare en time modtager nok energi til at kunne forsyne Jordens befolkning i et år. 4 Perspektiveret ned på nationale forhold, ville Danmarks elforbrug kunne blive dækket, såfremt et areal på størrelse med Langeland fik opsat solceller. 5 Initierende Problem Solens stråler kan levere energi nok til hele Jordens befolkning, dog formår vi ikke at udnytte dette. Problemanalyse Hvordan virker solceller? Den franske fysiker, Antoine C. Becquerel, opdagede allerede den fotoelektriske effekt i 1839 6. Det var dog først i 1954, man begyndte at lave praktiske opfindelser med teknologien. Det første eksempel ses i 1958, hvor en satellit blev opsendt med siliciumsolceller som eneste effektforsyning 7. De fleste solceller er lavet af grundstoffet silicium (uddybes under materialer). For at solcellen skal kunne virke, skal man have opbygget en naturlig spændingsforskel. Det gøres ved at dope siliciummet med bor og fosfor, hvorved man får et negativt lag (n-lag) indeholdende fosfor og et positivt lag (p-lag) indeholdende bor. Figure 1 - Hvordan virker en solcelle Den naturlige spændingsforskel får de frie eletroner, som dannes, når en foton rammer siliciumatomet til at bevæge sig en vej, mens det elektriske felt sørger for, at elektronerne ikke kan komme den anden vej igen. På forsiden af solcellen dannes den negative pol, når solens stråler rammer den. Strålerne fra solen vil gå ind og slå nogle elektroner løs. Elektronerne kan Figure 2 Silliciumcellen 3

derved blive opsamlet af et elektrisk ledende gitter. Når alle frie elektroner er opsamlet, dannes spændingsforskellen, som er ca. 0,5-0,6 volt 8. En solcelle kaldes også en halvlederkomponent. De er som sagt opbygget af et p-lag og et n-lag, og disse er begge halvlederlag. Det er disse lag, elektronerne går igennem. Når sollyset rammer overfladen, dannes der elektron-hul-par i p-laget. De frie elektroner søger derfor mod en plads i enten elektron-hul-parrene, eller de kommer igennem op til n-laget. Når alle elektroner er kommet på plads har solcellen den spændingsforskel, den behøver 9. Der er nogle forskellige faktorer for, om solcellerne kan yde optimalt. En af faktorerne er lysets bølgelængder, der rammer solcellen. Korte bølgelængder har et overskud af energi, mens længere bølgelængder har underskud af energi. Solcellen udnytter bedst lyset i det synlige lysspektrum 10 (beskrives nærmere under nyttevirkning og tab). En anden faktor er solcellens placering, som det fremgår af skemaet ved siden af. Ud fra skemaet kan man se, at solcellen producerer mest, når den står i retning mod syd med en taghældning på 45⁰. 11 Materialer Figure 3 Virkningsgrad ved Tagretning og -hældning Silicium Silicium er grundstof nr. 14 og har atomtegnet Si, og den er opbygget med en krystalstruktur. Silicium er det andet mest forekommende grundstof i Jordens overflade efter oxygen 12. Silicium forefindes ikke frit i naturen, men altid i en forbindelse med oxygen eller silikater. Rent silicium er ikke godt elektrisk ledende, da alle atomer har deres elektroner bundet. Så der skal en ret stor energi til at slå elektronerne ud af deres krystalstruktur. Derfor tilfører man urenheder til stoffet ved at dope siliciummet med enten fosfor eller bor, dog bibeholder man krystalstrukturen. Figur 4 13 Figure 4 krystalstruktur af silicium Det silicium man bruger til solceller, er fremstillet ud fra kvarts. Kvarts molekyleformel er SiO 2, så for at få rent silicium skal man fjerne oxygenatomerne. Dette sker ved en reduktion med kul i en elektrisk ovn ved 2000 o. Når oxygenet er fjernet, laves der en stang af siliciummet, dog er der stadig urenheder, som skal renses væk. Dette sker ved zonesmeltning, hvor stangen bliver opvarmet af en langsomt bevægende varmekilde. Denne langsomt bevægende smeltning resultere i, at 4

der bliver skabt en smeltezone, som urenhederne følger. Zonesmeltning gentages flere gange for at opnå højere renhedsgrader. Rent silicium er meget dyrt, det koster omkring 5-11 kr. per W 14 i en solcelle. Det betyder, at siliciummaterialet udgør en stor del af prisen. F.eks. i et 6000W solcelle anlæg ville siliciummet udgøre 30.000-66.000 kr. af solcelleanlæggets pris. Det oprensede silicium er altså en stor del af solpanelernes pris, dog bliver der forsket meget inden for området, og i de seneste par år er prisen for silicium faldet meget 15, og det tegner til, den vil falde yderligere. Der bliver også forsket i nye materialer til at erstatte siliciumsolcellerne eller at gøre silicium-solcellerne tyndere, så der bruges mindre materiale. Men der er meget forskning inden for solceller. Dog er prisen for solceller stadig høj. En af de måder de kan blive billigere per. W, er ved at finde nye materialer/metoder til at lave PV-solcellerne. Celletyper Der findes flere forskellige typer af solceller. De mest anvendte er beskrevet her nedenfor. Monokrystallinske solceller 16 Monokrystallinske solceller er skåret af en rund siliciumblok. Blokken skæres i kvadrater, så der er kortere afstand mellem cellerne i panelet. For at højne effektiviteten skal pakningen af cellerne være meget tætte. Cellerne placereres på et metalgitter, som funger som et kontaktnet. Cellerne monteres mellem to lag glas og et lag af plast. De montereres oftest på en hvid baggrund, der reflekter det lys, der falder ind mellem cellerne. Dette er med til at holde modulets temperatur nede, hvilket er med til at give den højeste effekt. Monokrystallinske solceller er de mest effektive, de har en effektivitet på ca. 20 %. Modulvirkningsgraden er afhængig af, hvor tæt cellerne er pakket. Monokrystallinske solceller har en levetid på ca. 45-50 år, dog med små reparationer undervejs, disse indtræffer efter 10-20 år. Polykrystallinske solceller 17 Polykrystallinske solceller består af store siliciumkrystaller, som man danner ved afstøbning i en form, hvilket giver dem deres karakteristiske blålige farvespil. Poykrystallinske solceller har ofte en lidt lavere virkningsgrad, men pakningen af modulerne opvejer cellernes lavere virkningsgrad. Polykrystallinske solceller har en moduleffektivitet på ca. 12-14 %. Polykrystallinske solceller har ligesom monokrystallinske solceller en levetid på ca. 45-50 år, dog med små reparationer undervejs, disse indtræffer efter 10-20 år. Tyndfilmssolceller 18 Tyndfilmssolceller kendes fra bl.a. lommeregnere. Effekt af en tyndfilmssolcelle er lavere end på de krystallinske, men prisen på dem er samtidig også lavere. Effektiviteten i direkte dagslys er betydeligt mindre end ved de krystallinske siliciumceller. Det har dog vist sig, at tyndfilmssolceller fungere relativt bedre i gråvejr end de krystallinske siliciumceller, hvilket kan være en fordel her i Danmark, da halvdelen af solindstrålingen er indirekte. 5

Tyndfilmssolceller har en effektivitet på ca. 6-10 %. Tyndfilmssolceller har en levetid på ca. 25-35 år, hvilket er kortere end de krystallinske, og den mister samtidig også effektiviteten hurtigere. Forbrug Rent økonomisk kan det godt betale sig at købe solceller. Et solcelleanlæg til en almindelig husstand, der forbruger 5-6.000 kwh om året koster omkring 100.000 kr. Til at dække disse 5-6000 kwh skal bruges 35-40 m 2. 19 Af disse 5-6000 kwh vurderer regeringen, at ca. 40 % går til egetforbrug, som er den mængde strøm man bruger, inden der er gået en time, efter det er produceret. De resterende 60 % sælges til el-nettet for 1,30 kr./kwh. Dvs., at man sælger for strøm om året. Det man så sparer hvert år på de 40 % er, da man skal købe strømmen for 2,20 kr./kwh. Dvs. man om året sparer:, man tjener altså sit solcelleanlæg ind på. 20 Hvilket er ca. en tredjedel af solcellernes levetid på 30 år. Dog skal til denne pris lægges den strøm, som man bliver nødt til at købe i stedet for de 60 % man sælger. Disse procentsatser er baseret på, at husstanden har et anlæg, der på årsbasis producerer lige så meget strøm, som husstanden forbruger. Herunder ses to kurver 21, der viser, hvordan egetforbruget og el-salget løber over en gennemsnitlig helårs -dag: Figure 5 El-forbrug og el-produktion døgnkurve Her ses, hvornår på dagen en gennemsnitlig husstand selv producerer nok strøm, og hvornår husstanden er nødt til at købe ekstra strøm udefra. Der bruges mest strøm om aftenen, hvor Solen er gået ned, og dermed ikke forsyner solcellerne med den nødvendige mængde lys til el-produktionen. Grunden til det større forbrug om aftenen er, at folk i dagtimerne er på arbejde, og når de så kommer hjem, er Solen på vej ned, og ligeså er el-produktionen. Dette kan dog afhjælpes ved, at vaskemaskiner o.l. startes om dagen i stedet for om aftenen. Der er flere af den slags udfordringer ved solceller, f.eks. er den mængde strøm, man får fra sit solcelleanlæg, ikke konstant. Mængden varierer selvfølgelig med døgnet og de skiftende årstider, hvilket vil sige, at om vinteren, hvor vi 6

holder os mest indenfor, og huset skal opvarmes, producerer solcellerne ikke så meget strøm, da Solen er gået ned. Når Solen til gengæld skinner om sommeren, har vi ikke brug for så meget strøm, da Solen opvarmer vores huse direkte, og vi har heller ikke lige så stor grad brug for belysning. Herunder er en graf 22 der illustrerer dette: Figure 6 El-forbrug og el-produktion døgnkurve Den blå kurve viser det daglige gennemsnitlige elforbrug. Den røde og den grønne kurve viser hhv. solcellernes daglige el-produktion om sommeren og om vinteren. Graferne er lavet af VivaEnergi på baggrund af nogle antagelser om faste procentsatser i bl.a. elpriser 23. Her illustreres også problemet om vinteren, hvor husstanden er nødt til at købe langt mere strøm end om sommeren. Det er ikke kun penge, man kan spare, hvis man anskaffer sig et solcelleanlæg. Man sparer også en hel del på husstandens CO 2 -udledning. Selve produktionen af solcelleanlægget udleder CO 2. Men denne mængde CO 2 er allerede sparet i strømforbrugets normale CO 2 - udslip efter ca. 3 år, hvilket svarer til ca. 10 % af solcelleanlæggets levetid, mens solcelleanlægget er miljøvenligt de resterende 90 % af sin levetid, da det ikke udleder nogen former for CO 2. En solcelleinvestering øger desuden husets værdi, da elregningen er mindre. 24 7

Problemformulering Hvilke barrierer og udfordringer bremser udbredelsen af PV-solceller som alternativ energikilde? PV-solcellers udfordringer og mulige løsninger. Drivhuseffekten Den forøgede drivhuseffekt er en realitet, den er i gang, og den stopper ikke, med mindre den menneskelige udledning af drivhusgasser gør det samme. Den globale opvarmning og konsekvenserne deraf er et globalt problem og kræver derfor en global løsning. Global klimapolitik er den rette vej til at finde denne løsning. Dette kan belyses ud fra det etiske perspektiv. Alle industrialiserede lande(i-lande) bidrager eller har bidraget med udledning af GHG (drivhusgasser), og alle disse lande skal ligeledes tage part i en opbremsning af udledningen efterfulgt af en GHG-neutral fremtid. Udover det etiske perspektiv er der også brug for, at kloden løfter i flok mht., de nødvendige ressourcer, global økonomi /konkurrencedygtighed, samt at vi kommer i mål, inden temperaturen er steget med den fastsatte grænse på 2 C siden industrialiseringen. Politisk Globalt set kan der nævnes politiske milepæle indenfor klimadebatten tilbage fra den første klimakonference WCC (World Climate Conference) 25. Senere kom stiftelsen af UNFCCC (United Nations Framework Convention on Climate Change), den blev godkendt i 1992 og trådte i kraft d. 21/3 1994 med 195 lande 26. Konventionen betænker klimaproblemet stærkt, dog uden at det som medlem, forpligter lande til at opnå specifikke mål for en nedsættelse af udledningen af GHG 27. Kronologisk er den næste store milepæl Kyotoaftalen. Aftalen realiserer sig som efterløberen for FCCC, dog bestræber den sig på stor udvikling til følge. Det sker ved, at Kyotoaftalen forpligter I-lande til at nedsætte deres udledning af GHG 28. I første periode (2008-2012) forpligtede EU sig til at nedsætte udledningen af GHG med 8 %, Danmark og Tyskland forpligtede sig til en nedsættelse på 21% grundet deres store udledninger per indbygger 29. I 2012 blev anden periode godkendt, dog er den endnu ikke trådt i kraft 30. Grundlæggende forholder der sig ulemper og/eller mangler i aftalen. Kina og USA er to store udledere af GHG, alligevel er de ikke med i aftalen. Kina er ikke, da landet blev betragtet som U-land (udviklingsland) under Kyotoaftens godkendelse i 1997. USA har endnu ikke ratificeret aftalen (godkendt den som juridisk bindende) og er derfor endnu ikke forpligtet til at handle 31. EU har indført et kvotesystem for udledning af GHG kaldet ETS (Emission Trade System). Kvoterne er medbestemmende for, at landene overholder forpligtelserne i Kyotoaftalen. Samtidigt har kvoterne en omkostningseffektiv egenskab, da lande og private individuelt kan handle med kvoterne. Sådan har det bare ikke forholdt sig i 8

praksis. Prisen på kvoterne er styrtdykket, en forklaring på det kunne være den økonomiske krise. For at give kvoterne magten tilbage har et politisk indgreb været i tankerne kaldet backloading, omvendt menes det, at kvotesystemet i sig selv skal revideres 32. Anskues det nationalt har Danmark ambitionsmæssigt skruet sig op med den nye klimaplan indgået i 2012. Målet med denne plan er derfor, at udledningerne i 2020 skal være 40 % mindre i forhold til 1990. Ydermere vil Danmark gå hele vejen med EU og sikre, at udledningen af GHG i 2050 er reduceret med 80-95 % i forhold til 1990 33. En politisk konklusion herpå er ligetil og alligevel ikke. Globalt set bør Kina og USA komme med i kampen og tage del i Kyotoaftalens forpligtelser. Omvendt er der ikke meget, som tyder på, det kommer til at ske, til trods for de begge er store udledere af GHG. Europæisk set bør der komme styr på kvotemarkedet. Et politisk indgreb kan teoretisk set give en god virkning, men en revidering af kvotesystemet må foretrækkes frem for en nødhjælpende lappeløsning. Lovgivning i Danmark Springes der til konkrete lov og lovændringer indenfor energi- og klimaområdet, har lovene til formål at udføre Danmarks andel af klimapolitikken. Resultatet af lovene skal ende ud i en CO 2 -neutral fremtid og samtidigt sikre, at dette sker indenfor en tidsramme, hvor den globale opvarmning ikke når at stige mere end 2 C siden starten af industrialiseringen. 34 Behovet for omstillingen til en CO 2 -neutral fremtid må betegnes som værende akut. Offentlig støtte/afgiftslettelser til VE-løsninger indtager en nødvendig plads som den katalysator, der også er behjælpelig med, at Danmark og resten af verden når i mål. Den offentlige støtte til VE-anlæg har sit fæste i lov. Lov 1392(vedtaget i 2008) Lov om fremme af vedvarende energi kan tages som eksempel for dette 35. Lov 1392 og andre lignende VE-love er sidenhen blevet revideret flere gange ved nye love. Status er, at lovforslag L199(vedtaget i 2013) lov om ændring af lov om fremme af vedvarende energi gør sig gældende. Grunden til de mange lovændringer beskrives i L199. Ændringerne skete med hensigt på at begrænse udbygningen af store solcelleanlæg, da de første love var møntet på støtte til private solcelleejere med anlæg, som kun dækkede et egetforbrug. Effektgrænsen var 6 kw 36. Solcellers barrierer eller fremtidige grænser fortolkes til, at de forudbestemt får en decentraliseret rolle i fremtidens energiforsyning. Det får solcellernes muligheder for udvidelse til at se låste ud. Omvendt er solceller også låste af barrierer og udfordringer på forhånd. Energiproduktionen er bestemt af vejret og tiden på døgnet, hvilket leder det videre til et forbrugs/lagringsproblem. Energiproduktion skal være bæredygtig. men den fungerer heller ikke som en underskudsforretning, hvis den først statsstøttes for derefter at blive solgt for billigt til udlandet. Grundlæggende passer den lovgivne rolle for solceller bedst til tiden lige nu. Udbygningen af solceller bør passe i balance med andre VE-kilder for at opnå et optimalt udbytte, men også for de understøtter hinanden mest muligt overfor givne barrierer. 9

Når fremtidig teknisk udvikling overvinder nuværende udfordringer kan lovændringer igen være på tale. Indtil da bliver solceller brugt mest optimalt som den eksisterende lovgivning foreskriver. Politikere er under pres, da forbrugere efterspørger gunstigere løsninger end de nuværende. Det er uvist hvad der bliver det næste tiltag indenfor solceller netop fordi de fastsatte mål er opnået. Nyttevirkning og tab Nyttevirkning eller virkningsgraden er en talværdi, der er defineret som forholdet mellem den nyttige energi og den totale tilførte energi.. Næsten samtlige systemer vil have en nyttevirkning mellem 0 og 1, da man næsten altid må kunne forvente et effekttab i processen fx forårsaget af varmeudvikling eller ufuldstændig forbrænding. 37 Når solens stråler rammer solcellerne, vil almindelige solceller kunne omdanne omkring de 9-15 % af strålernes energi til el, mens de lidt nyere og bedre modeller kan omdanne op til 20 % af den indkommende stråling. 38 Det vil sige, at for selv de bedste solceller har vi kun en nyttevirkning på omkring de 0,2. Vi har altså her et betragteligt tab, men hvor forsvinder resten af energien hen? Til dette spørgsmål bliver vi nødt til at kigge lidt på, hvilke mekanismer, der spiller ind for, at sollyset bliver til strøm. Hvis vi først kigger på materialet, de fleste solceller er lavet af, nemlig silicium, så er den teoretiske nyttevirkning på denne omkring de 30 % 39. Hvorfor så kun dette? Solens stråler består af det, som vi kalder fotoner. Fotoner indeholder energi, og nogle fotoner indeholder mere energi end andre. Det er faktisk det, vi oplever, når vi sanser forskellige farver. Som vi kan se på nedenstående figur falder energiniveauet, når bølgelængderne bliver større og omvendt. Det vil sige blåt lys indeholder mere energi end for eksemplet rødt lys 40. Lys kan i princippet blive betragtet både som partikler og bølger. Dette skyldes bølge-partikel dualiteten, som vi ikke vil uddybe nærmere, men bare fastslå, at lys både kan opføre sig som en bølge målt ved bølgelængde, og som en partikel målt ved elektronvolt (små mængder af energi). Figure 7 Lysspektrum 41 Når en foton banker ind i solcellen og hermed siliciumatomet, slår den en elektron løs fra siliciumatomet. Denne løsrevne elektron skaber en spændingsforskel ligesom i et batteri, og vi får derved dannet strøm, hvis vi forbinder n- og p-siden via et ydre kredsløb. Men det er kun fotoner med tilstrækkelig høj energi, der kan løsrive 10

elektronen. Mængden af energi, som det kræves for at slå en elektron løs ved stoffet silicium, er 1,1eV. Den mængde af energi, det kræver kaldes båndgabet. Hvis en foton i solspektret med en højere energi slår ind i atomet og løsriver en elektron, vil energioverskuddet gå tabt i form af varme, hvorimod hvis fotonets energiniveau er for lavt, vil der ikke blive skabt en strøm. Vi har altså det dilemma, at hvis vi bruger et stof, som har et lille båndgab, vil en stor del af fotonens energi gå tabt i form af varme, hvorimod hvis vi har et stof med et stort båndgab, vil det være sjældnere, at en elektron bliver løsrevet og hermed får skabt spænding. 42 Man kan dog argumentere for, at hvis man havde et stof med et lille båndgab ville processen ske flere gange end ved stoffet med et stort båndgab, og vi vil hermed få skabt en større strøm. Dette er selvfølgelig også rigtigt. Men her skal vi huske på, at effekten er målt som spænding ganget med strøm ( ) ( ) ( ). Det er sådan, at vores båndgab bestemmer styrken af vores elektriske felt, altså hvor mange volt vi har. Så betydningen af, at vi forøger vores strøm ved et lavt energiniveau er, at vi sænker vores elektriske felt og derved vores effekt. 43 Man har derfor valgt en middelvej, hvor som sagt silicium oftest bliver brugt. Men ikke desto mindre mister vi altså 70% af den samlede energi på dette fænomen. Figur 8 Foton rammer atom og slår elektron løs Figur 8 44 Men hvis den teoretiske optimale energioptagelse er på 30 %, og de bedste solceller kun opfanger ca. 20 %, må der jo også ske tab andre steder. Noget af sollyset vil altid blive reflekteret væk fra solcellens overflade, også selv om de fleste solceller er dækket af et antireflekterende materiale. Derudover kan der også findes urenheder i silicium, der giver et lille tab 45. Til sidst taber elektronerne også en del energi, inden de når frem til solcellens overflade, hvor de fortsætter til den ydre belastning. Energitabet sker her først og fremmest, når de bevæger sig gennem grænselaget (laget mellem p-siden og n-siden), som er der, hvor det elektriske felt befinder sig. Man kan illustrere dette ved at sige, de bevæger sig ned ad bakke, når de tiltrækkes af en elektrisk kraft mod plus, og de ned ad bakken har et energitab. 46 11

Figur 9+10 Elektrisk forhold inde i krystallen i nærheden af grænselaget mellem krystallens to områder p- type (venstre) og n-type (højre) Figure 9 ) Ladningsfordeling. En foton når ind i grænselaget og danner et elektron-hul-par. Elektron og hul drives til hver sin side Figure 10 Potentiel energi for elektroner. Elektronerne grænselaget og danner et eletron-hul-par. Bevæger sig ned ad bakke fra p-siden til n-siden Elektron og hul drives til hver sin side. Det er primært disse faktorer, der står for de sidste 10 % af vores energitab. Og det er dermed også her, vi primært kan forbedre vores solceller. Findes der eventuelt også måder, hvorpå vi i fremtiden kan højne effektiviteten af solceller og få nyttevirkningen op over de 30 %? Man kigger på flere forskellige muligheder, og effektiviteten bliver da også større og større, men langt de fleste løsninger er endnu for dyre at producere i forhold til udbyttet. De har derfor endnu ikke relevans for de små forbrugere. Tandemceller En måde at højne effektiviteten er at bruge såkaldte tandemceller. Tandemceller virker ved, at de kan absorbere forskellige bølgelængder af sollysets spektrum. Cellerne er pakket således, at laget som skal absorbere de korteste bølgelængders fotoner, ligger øverst, mens de længere bølgelængders fotoner passere igennem og først bliver opfanget af det nedre lag. For at kunne fungere på denne måde, kræver det, at cellerne er lavet af forskellige komponenter. Komponenterne gør, at tandemceller endnu ikke er en kosteffektiv løsning, da tandemcellerne bliver alt for dyre at producere i forhold til udbyttet. Den teoretiske effektivitet ved tolagstandemceller ligger omkring de 42 % 47. Koncentrere sollyset I CPV (Concentrated PhotoVoltaic) fokuserer man sollyset ned på solcellerne ved hjælp af optiske anordninger. Denne metode giver en større effekt per solcelle. CPV kræver dog direkte sollys i modsætning til normale solceller, som også kan opfange det diffuse lys. Dette begrænser CPV-solceller til kun at virke på skyfrie solskinsrige dage. Ydermere kræves det en eller anden form for tracking for at bevare fokus, da solen jo i løbet af dagen bevæger sig fra øst mod vest. Prismæssigt er CPV konkurrencedygtige med almindelige PV-solceller, og de er specielt i fremdrift i større ørkener, hvor der er mange solskinstimer 48 12

Udnytte varmeenergien En af de større syndere, hvad angår energitabet var, at når en foton med et højere energiniveau end siliciummet ramte, ville den overskydende energi blive omdannet til varme. Dette problem har man forsøgt at løse bl.a. med teknologi der hedder Photon Enhanced Thermionic Emission (PETE). Den udnytter koncentreret sollys og omdanner solens fotoner til energi via en termisk konverter. En termisk konverter består af to elektroder delt af et vakuum. Når den ene katode bliver opvarmet til en høj temperatur, vil elektronerne excitere (komme op i et højere energiniveau i forhold til normalen) og hoppe igennem vakuummet til den koldere anode. Her vil den genere en strøm igennem et eksternt system tilbage til den oprindelige katode. Teknologien er ikke særlig effektiv endnu og et brugbart produkt, ser vi formentlig først langt ude i fremtiden. Overfladeareal Da solcellerne stadigvæk fylder temmelig meget, er de ikke særligt populære. Der er flere huse, der ikke har plads til solceller, og mange mener også, at solcellerne gør deres huse grimme. Af disse grunde vælger nogen at bygge nye huse med integrerede solceller, så de både passer i husets arkitektur og størrelse. Man kan også integrere solceller på andre måder ved bl.a. at bygge dem ind i husmure, plankeværk eller som tag på carporten. Nogle solceller kan også bruges på vinduer, da de er transparente 49, dog producerer disse solceller kun ca. 25 % af, hvad andre solceller gør. Lagring af energi fra solceller Solen skinner ikke altid, når vi har brug for strømmen, derfor giver det anledning til et problem vedrørende lagring af energien fra solcellerne. Der er flere forskellige forslag undervejs, men den endelige løsning, som både fungere og tjener sig selv hjem økonomisk, er endnu ikke fundet. Direkte på el-nettet I dag ledes den overskydende energi ud på el-nettet og distribueres videre ud til andre forbrugere. Dette er en simpel ordning for solcelleejerne, men en omkostningsfuld affære for elværkerne. Det giver et overskud på nettet, når solen skinner meget. Det kan være nødvendigt at sælge dette overskud til udlandet til uhørt lave priser. Derfor er dette ikke en holdbar løsning, hvis mængden af solceller forsat skal stige og blive til en førende energikilde. Det samme problem ligger ved stort set alle former for alternativ energi. Batteribank Den mest brugte form for lagring af strøm er batteriet. Det fungere glimrende til små apparater som mobiltelefoner og håndværktøj, men er mindre anvendeligt til større opgaver. Prisen på batterier med større kapacitet er stadig alt for høj til at anvende det til solcelleanlæg. Derudover fylder batterier meget, så hvis større anlæg skulle lagre strøm på batterier, vil det kræve meget plads. Batterier mister også deres effekt pga. slid, når de bruges/lades og aflades. Derfor skal der enten udvikles nye batterityper eller findes andre løsninger 50. 13

Brintanlæg Et alternativ, der er meget omdiskuteret, er at lagre energien som brint. Dette gøres ved at lave brint af den overskydende el-produktion ved hjælp af elektrolyse. Overproduktionen af strøm føres til en elektrolysator, her sker en kemisk proces, hvor brint og oxygen spaltes fra vand. Når behovet for den opsparede brint bliver aktuel, føres brinten til en brændselscelle. Brændselscellen virker omvendt af en elektrolysator og laver strøm af brinten. 51 Figur11 52, Figur 12 53 Figur 11 praksis I består en elektrolysator af et antal anoder og catoder, som er tilsluttet henholdsvis plus og minus. Denne spændingsforskel får vandet til at spalte og derved danne brint og oxygen. Figur 12 En brændselscelle består af et ionledende materiale, på den ene side er en katode, den anden en anode. Der tilføres brint og ilt. Inden i brændselscellen sker en reaktion mellem brinten og ilten, hvilket danner vand og løse elektroner som sendes videre til kredsløbet. Hver brændselscelle producere kun 1V DC, derfor bygges mange sammen i serie for at få en spænding, som kan inventeres til brugbar AC. Aktuel Brintlagring har et kæmpe potentiale, da den har en høj virkningsgrad på 50-55 %. Allerede i dag kan det sagtens lade sig gøre at lave disse anlæg, hvis vi blot ser bort fra den økonomiske del, da det stadig ikke er rentabelt. Brintanlæggene er meget dyre i anskaffelse, da de kræver en elektrolysator, en tank og en brændselscelle. 54 Udviklingen af disse anlæg er i fuld gang for at få virkningsgraden op og prisen ned. Et nyt skud på stammen er at bruge et andet materiale til at lave katoderne og anoderne, som i dag bliver lavet i dyre materialer som platin. To forskere fra University of Calgary i Canada har fundet ud af at bruge oxiderede metaller (rust). Dette har givet så gode resultater, at det i nogle tilfælde giver bedre lagringsevner. Det forventes allerede at komme på markedet i år 2014 til store energiprojekter og til private prototyper i år 2015 55 Smart grid 56 Problemet med varierende energikilder, såsom solceller, kan også løses ved hjælp af den rigtige distribution. Ved at gøre el-nettet mere fleksibelt kan man bruge strømmen, mens solen skinner. Derved udnyttes al solcellestrøm og problemet med lagring undgås. Dansk energi og energinet.dk har i samarbejde udviklet et system kaldet smart grid 2.0 til at varetage denne opgave. Fleksibiliteten skal opnås ved hjælp af hovedsagligt to mekanismer. Den ene er prisændringer på strøm, ved at gøre strømmen billigere på bestemte tidspunkter. Dermed gøres det mere attraktiv at bruge strømmen uden for spidsbelastningerne og i tidspunkter, hvor der er mere produktion fra alternativ energi såsom solceller. Den 14

anden er styring af el-produkter fra elselskaberne, når der er overproduktion fra solceller, skal der kunne startes for el-produkter, som ikke nødvendigvis skal køre på bestemte tidspunkter. Det kan for eksempel være varmepumper eller frysere. Et eksempel med en varmepumpe (taget fra Rapporten SMART GRID i Danmark 2.0 af Energinet.dk og Dansk energi 57 ). En forbruger har en varmepumpe til at varme huset op, han har en komfortzone på 20-22 grader, den bruger årligt for 6000kr strøm. Et firma tilbyder at overtage styringen og el-salget til varmepumpen. Firmaet tænder for varmepumpen, når strømmen er billig fra eksempelvis solceller og slukker for den, når strømmen er dyr. Dette gøres uden at komme udenfor den forudsatte komfortzone. Varmepumpen bruger mindre strøm, da den slukkes på unødvendige tidspunkter, derved sparer kunden 500kr årligt. Derudover hjælper firmaet elselskabet og firmaet tjener derfor 250 kr. årligt ved at styre varmepumpen. Derved tjener både forbruger og firmaet penge, og elselskabet får et mere stabilt net som ønsket. Udviklingen af dette system er i fuld gang, og det forventes, at mindre kunder i løbet af år 2013 og andre kunder i løbet af år 2014, vil kunne begynde at afregne på timebasis. Ydermere forventes det, at der kommer en automatisering i år 2014 i form af nye elapparater 58. Figure 13 Eksempel på hvordan smart grid kan anvendes. 59 15

Refleksion Vi har i vores rapport beskæftiget os med, hvilke barrier og udfordringer PV-solceller står over for i dag. Hvis vi stiller os selv spørgsmålet: Hvorfor solceller? Så er det nærliggende at svare: Fordi det er en vedvarende energiform, som samtidigt er klimamæssigt forsvarlig. Levetiden er lang, hvilket gør den til en økonomisk gevinst på længere sigt. Materialet silicium er lettilgængeligt, og der er store mængder at hente. Dette lyder alt sammen fornuftigt, men på trods af dette er udbredelsen af solceller stadig ikke særligt stor. Solceller er dyre at producere, og engangsinvesteringen er derfor stor. Det siger sig selv, at solceller er døgnbetinget, og der findes endnu ikke nogen fornuftige lagringsmuligheder. Nyttevirkningen på de mest brugte celler er endnu ikke ret stor, og derfor kræves der et stort overfladeareal. Det store overfladeareal gør, at solceller kan forurene landskabet rent æstetisk. Den nuværende lovgivning har givet mindre gunstige støtteordninger end tidligere. Ydermere er solcelleteknologien forholdsvis ny og der kommer hele tiden nye ideer på markedet. Dette kan medføre, at folk vælger at vente med at købe indtil solcelleanlæggene er mere produktive. Løsninger indenfor nyttevirkning og dermed overfladearealet kan for eksempel være tandemsolceller, koncentrering af sollyset og varmeudnyttelse mv. Alle er mulige led i en fremtidig løsning. De er dog endnu for dyre at producere i forhold til udbyttet. Løsninger til lagringsproblematikken kan være det omtalte smart grid eller brintlagring. Disse to teknologier kan på sigt medvirke til at stabilisere el-nettet. Teknologierne er dog stadig inficerede af børnesygdomme. Der er ingen tvivl om, at solceller i fremtiden kommer til at spille en rolle, hvad angår vedvarende energi. Dog er de i dag stadig en lille spiller på markedet, og teknologierne skal blive bedre, før de bliver rigtigt attraktive. Solceller er stadig en relativt ny ting, og rent teknologisk er der stadig mange ting, som kan forbedres. Konklusion Vi kan konkludere, at de udfordringer og barrierer som solceller står over for i dag, skyldes den ringe nyttevirkning, svære lagringsmuligheder, de økonomiske aspekter og det store overfladeareal. Dette i sammenspil med den nuværende lovgivning hæmmer udbredelsen af solceller i fremtiden. Oversigt over de største problemer: - Ringe nyttevirkning og derfor store overfladearealer. - Stor investering og lang tilbagebetalingstid. - Lagringsmulighederne er dyre. - Solceller er i udviklingsfasen og nye og bedre produkter kommer frem hele tiden. - Nuværende lovgivning omkring støtteordning til solceller. 16

Litteraturliste Indledning 1 http://www.rummet.dk/solsystemet/solen/fakta-om-solen sidst besøgt d. 17/9 2 http://www.hvaderastronomi.dk/?stjerner:solen sidst besøgt d. 17/9 3 http://sustainable.dk/forbrug-og-baeredygtighed/2-drivhuseffekten-og-kulstofkredslobet/sidst besøgt d. 17/9 4 http://www.solarcap.dk/04%20rundt%20om%20solvarme/solenergi.aspx sidst besøgt d. 17/9 5 http://www.pv-sol.dk/solenergi.html sidst besøgt d. 17/9 Hvordan virker solceller 6 http://www.denstoredanske.dk/it%2c_teknik_og_naturvidenskab/kemi/udenlandske_kemikere/antoine _C%c3%a9sar_Becquerel sidst besøgt 10/9 7 http://www.denstoredanske.dk/it,_teknik_og_naturvidenskab/elektronik,_teletrafik_og_kommunikation/ Elektronik,_radio_og_tv/solcelle sidst besøgt 10/9 8 http://ing.dk/artikel/hvordan-fungerer-en-solcelle-92599 sidst besøgt 11/9 9 http://evigenergi.fys.dk/ sidst besøgt 11/9 10 http://ing.dk/artikel/hvordan-fungerer-en-solcelle-92596 sidst besøgt 11/9 11 Billede taget fra folder om solceller fra Bauhaus, folder hentet i en butik. Folderen er hentet i 2013. ingen udgivelsesdato. Materialer 12 Bogen om grundstofferne henning henriksen & Erik pawlik (S. 38) 13 Figur 4 http://en.wikipedia.org/wiki/file:silicon-unit-cell-3d-balls.png sidst besøgt 18/9 14 http://journals.cambridge.org/action/displayabstract?frompage=online&aid=8511553 sidst besøgt d 17/9 15 http://go.bloomberg.com/multimedia/solar-silicon-price-drop-brings-renewable-power-closer/ sidst besøgt d 17/9 Celletyper 16 Referat af http://www.energitjenesten.dk/monokrystallinske-solceller.html sidst besøgt 6/9 17 Referat af http://www.energitjenesten.dk/polykrystallinske-solceller.html sidst besøgt 6/9 18 Referat af http://www.energitjenesten.dk/amorfe-eller-tyndfilmssolceller.html sidst besøgt 9/9 Forbrug 19 http://www.bolius.dk/netop-nu/solceller/hvad-fylder-solceller sidst besøgt 17/9 20 Udregningerne er fra: http://www.vivaenergi.dk/anl%c3%a6gs%c3%b8konomi-218.aspx sidst besøgt 17/9 21 Graferne er fra: http://www.vivaenergi.dk/files/billeder/grafer/elforbrug%20gennem%20døgnet%20(private).pdf sidst besøgt 17/9 22 Grafen er fra: http://www.vivaenergi.dk/files/billeder/grafer/elforbrug%20gennem%20døgnet%20(private).pdf sidst besøgt 17/9 23 Udregningerne er fra: http://www.vivaenergi.dk/anl%c3%a6gs%c3%b8konomi-218.aspx sidst besøgt 17/9 24 http://www.varmeogviden.dk/solenergi/klima-besparelse sidst besøgt 17/9 PV solcellers udfordringer og mulige løsninger Politisk 25 http://unfccc.int/essential_background/items/6031.php sidst besøgt d 17/9 26 http://unfccc.int/essential_background/convention/items/6036.php sidst besøgt d 17/9 27 http://unfccc.int/essential_background/convention/items/6036.php sidst besøgt d 17/9 28 http://unfccc.int/essential_background/kyoto_protocol/items/6034.php sidst besøgt d 17/9 29 http://www.videnomenergi.dk/leksikon/energi-og-klimapolitik/kyotoaftalen.aspx sidst besøgt d 17/9 30 http://unfccc.int/essential_background/basic_facts_figures/items/6246.php sidst besøgt d 17/9 31 http://unfccc.int/kyoto_protocol/status_of_ratification/items/2613.php sidst besøgt d 17/9 32 http://ing.dk/artikel/sidste-slag-om-europas-co2-kvotesystem-paa-vej-158207 sidst besøgt d 17/9 33 dk's klimaplan s. 10 & 13 http://www.altinget.dk/misc/klimaplan_2013_web.pdf sidst besøgt d 17/9 17

Lovgivning 34 http://unfccc.int/essential_background/basic_facts_figures/items/6246.php sidst besøgt d 17/9 35 https://www.retsinformation.dk/forms/r0710.aspx?id=122961&exp=1 sidst besøgt d 17/9 36 http://www.folketingstidende.dk/ripdf/samling/20121/lovforslag/l199/20121_l199_fremsaettelsestale. pdf sidst besøgt d 17/9 Nyttevirkning og tab 37 http://www.denstoredanske.dk/it,_teknik_og_naturvidenskab/fysik/klassisk_mekanik_og_kvantefysik/ virkningsgrad sidst besøgt d. 17/9 38 http://www.energitjenesten.dk/solcelleteknik.html sidst besøgt d. 17/9 39 http://solarcellcentral.com/limits_page.html sidst besøgt d. 17/9 40 http://solarjourneyusa.com/sunlight.php sidst besøgt d. 17/9 41 http://homepage.svendborg-gym.dk/rk/fysik/noter/lys-bolger-partikler/lysbolgepartikler2.htm sidst besøgt d. 10/9 42 http://solarjourneyusa.com/bandgaps.php sidst besøgt d. 17/9 43 http://science.howstuffworks.com/environmental/energy/solar-cell4.htm sidst besøgt d. 17/9 44 http://www.ahorn.dk/asu/base/elhtm/lys-el/lys-el.asp sidst besøgt d. 17/9 45 http://solarcellcentral.com/limits_page.html sidst besøgt d. 17/9 46 Trinhammer, Ole: Evig energi? Solceller. Fysikforlaget 2006 s. 35 47 http://solarcellcentral.com/limits_page.html sidst besøgt d. 17/9 48 http://www.greenrhinoenergy.com/solar/technologies/pv_concentration.php sidst besøgt d. 17/9 Overflade areal 49 http://130.226.56.153/rispubl/nei/nei-dk-5234.pdf sidst besøgt d 18/9 Lagring 50 http://www.energiogsol.dk/hvordan-skal-vi-lagre-elektricitet-fremtiden - Sidst besøgt d 9/9 51 http://www.hydrogennet.dk/braendselsceller / Sidst besøgt d 17/9 52 Figur 11 http://www.climateminds.dk/index.php?id=507 Sidst besøgt d 17/9 53 Figur 12 http://wwwhydrogennet.dk/braendselsceller - Sidst besøgt d 17/9 54 http://ing.dk/artikel/dansk-producent-af-mikroanlaeg-gem-din-solcellestrom-som-brint-134442 - Sidst besøgt 6/9 55 http://ing.dk/artikel/forskere-rust-kan-give-os-billig-elektrolyse-til-lagre-vindmoellestroem-157497 - Sidst besøgt 6/9 Smart grid 56 Rapport; smart grid i Danmark 2.0 lavet i samarbejde mellem energinet.dk og Dansk energi 57 http://www.energinet.dk/da/forskning/energinet-dks-forskning-og-udvikling/smart- Grid/Sider/default.aspx - Sidst besøgt 17/9 kl: 58 http://energinet.dk/sitecollectiondocuments/danske%20dokumenter/forskning/smart_grid_i_dk.pdf Sidst besøgt d10/9 59 Figur 13: http://smartgrid.epri.com/demo.aspx - Sidst besøgt 17/9 18