Solpaneler, solcellsmoduler och solceller

Vad menas med de olika begreppen? Kort sammanfattat så är solpaneler eller solcellspaneler ett annat namn på solcellsmoduler och en solcellsmodul består av flera seriekopplade solceller. Men det finns mycket mer intressant att veta om solceller och solpaneler så fortsätt läsa 🙂

Inledning

Sedan länge har man forskat på olika typer av solceller. Några av de vanligaste av typerna av solceller är tunnfilm och kristallint kisel. Målet med forskningen har varit att utveckla en hållbar energikälla som kan komplettera andra energikällor såsom kolkraft, vattenkraft, vind och kärnkraft med förnyelsebar billig eltillverkning.

Solceller och dess utveckling

Det finns många typer av solceller, kristallina kiselsolceller, tunnfilmssolceller och organiska solceller är några typer. För kommersiellt bruk är dock kristallint kisel det allra vanligaste och står för ca 95% av de solceller som installeras världen över. Vi kommer i denna artikel att fokusera på kristallina kiselsolceller. Namnet kristallina kiselsolceller hintar om att materialet i solcellen är kisel och kristallstrukturen är kristallin. Det finns även tunnfilmssolceller som är gjorda av kisel till exempel amorft- och mikrokristallint kisel. Att en kristallstruktur är amorf betyder att materialet inte innehåller kristaller och mikrokristallint betyder, som det låter, att det är väldigt små kristaller. Vad är då skillnaden mellan amorf, mikrokristallin, multikristallin och monokristallin och vad finns det för fördelar med olika typer? Enkelt beskrivet så vill man ha så få och stora kristaller som möjligt i materialet för att få så lite defekter som möjligt och så bra solceller som möjligt.

Solcellens material, amorft, mikro- multi- eller monokristallint

I gränserna mellan kristallerna i materialet finns det risk att det bildas defekter. Detta innebär alltså att solceller med mindre kristaller har fler kristaller per solcell och fler kristallgränser i materialet. Det ger sämre kvalitet på materialet och solceller med en lägre verkningsgrad. Enkelt uppskattat kan man säga att mikrokristallint kisel ger solceller med en verkningsgrad på ca 11%, multikristallint ger ca 20% och monokristallint kisel ca 25 %. Amorft kisel, som inte ens har utvecklat några kristaller, har lägst verkningsgrad på ca 8%. Ni kanske kommer ihåg äldre miniräknare med en liten svart solcell. De var oftast amorft kisel i de solcellerna.

Initialt så började man forska på monokristallina solceller då de hade potential att ge högst verkningsgrad. Men då det är enklare och går åt mindre energi att framställa multikristallint kisel blev även multikristallina kiselsolceller intressanta för forskning och utveckling. Under en period mellan 2012-2016 var majoriteten av de paneler som installerades tillverkade av multikristallina kiselsolceller. Det går enkelt att känna igen multikristallina solceller på dess spräckliga blåa yta. Den spräckliga ytan man ser är faktiskt kristallerna i materialet som reflekterar ljuset olika. Monokristallina solceller är svarta vilket betyder att de reflekterar mindre ljus. Mindre reflektion betyder att mer ljus går in i solcellen och kan omvandlas till el.

Tillverkningsmetoder för solceller

Den första metoden att tillverka solceller för kommersiellt bruk var Al-BSF (Aluminium – Back Surface Field). Därefter kom PERC (Passive Emitter Rear Contact) där man adderade ett passiviseringssteg och minskade rekombinationerna i cellen, vilket höjde verkningsgraden. Det som kommit de senaste åren, och som förutspås dominera marknaden under ca 5 år framöver heter TOPCON (Tunneling oxide Passivated Contact). Det är en vidareutveckling av PERC solceller. Tillverkning av TOPCON solceller växer snabbt men har en konkurrent som heter HJT eller SHJ (Hetero Junction Technology eller Silicon Hetere Junction ).

TOPCON solcellen är en ren kristallin kiselsolcell medan HJT är en kombination av en kristallin kiselsolcell och en tunnfilmskiselsolcell. Det är relativt enkelt att bygga om solcellsfabriker som hittills tillverkat PERC för att tillverka TOPCON. Att bygga om en tidigare PERC fabrik för tillverkning av HTJ solceller är lite mer omfattande och kräver flera nya steg. Det är troligen anledningen till att tillverkningen av TOPCON solceller har växt snabbare än tillverkningen av HJT solceller de senaste åren. HJT solceller har däremot potential att ge högre verkningsgrad. Båda dessa två solcellskoncept (TOPCON och HJT) har potential att ge solceller med upp emot ca 27% verkningsgrad.

Framtida solceller

TOPCON och HJT solceller förutspås att dominera solcellsmarknaden 5-6 år framöver och därefter tror man att så kallade tandemsolceller kommer att ta över. Tandemsolceller är en kombination av två olika solcellstyper. Den vanligaste kombinationen som forskas på idag och redan levererat hög verkningsgrad i labb är kisel och perovskitsolceller. Tandemsolceller har potential att ge solceller med över 30% verkningsgrad.

Hur vet man då att tandemsolcellerna kommer ta över? De stora solcellsfabriker som byggs i Kina och dominerar produktionen av solceller har en återbetalningstid på ca 3 år och körs med stegvis förbättringar under ca 6 år totalt. Därefter tror man att det behövs ett nytt koncept för att lyfta effektiviteten på solceller ytterligare.

Under många år använde alla paneltillverkare solceller av samma storlek. På senare tid har det kommit fler och fler solceller i olika storlekar. Det är helt enkelt så att man från början hade problem att göra stora celler utan defekter men med tiden har tillverkningsprocessen av solcellskisel vidareutvecklats för att klara större och större storlekar. Fördelen är att det är billigare att göra materialet större. När man sedan ska koppla ihop de färdiga solcellerna blir det dock mer effektivt att först dela dem i hälften. Anledningen är att de stora solcellerna har så hög ström att det är mer effektivt att dela dem och därmed också halvera strömmen. När de sedan sedan kopplas ihop minskas de elektriska förlusterna i solpanelen och man kan i och med det höja effektiviteten.

 

NREL följer utvecklingen av solceller och redovisar den högsta effektiviteten för olika solcellstyper. Observera att solceller som används för kommersiellt bruk har en lägre verkningsgrad är de högsta på NRELS lista. Solcellerna med högst verkningsgrad är ofta fortfarande under utveckling eller har tillverkningskostnader som blir så höga att de inte skulle gå att sälja på den öppna marknaden.

Vad är skillnaden mellan solceller och solpaneler eller solcellsmoduler?

Solpanel och solcellsmodul är samma sak och består av ett antal seriekopplade solceller. Vanligen mellan 120-166 st. Nedan visar vi en bild från PV-Magazine ursprungligen från Fraunhofer ISE som beskriver uppbyggnaden av en solpanel eller en solcellsmodul med kristallina solceller. Det är solcellerna som genererar elen från solen. Solcellerna är känsliga för fukt och mycket tunna (130-160 um tjocka) vilket gör dem extremt känsliga för sprickor. För en lång livslängd måste därför solcellerna kapslas in i en säker förpackning som säkerställer en lång livslängd. Tillverkningen sker genom att solcellerna lamineras ihop med en glasskiva med en ”smältplast” (EVA eller POE är vanligast) på båda sidor om solcellerna. Bakom solcellerna monteras ett skyddande plastskikt, ett så kallat back sheet, eller ett bakre glas. Runt modulen monteras sedan en skyddande aluminiumram.

 

Utvecklingen av solpaneler

Vad skiljer då en solcell från en solpanel eller en solcellsmodul? En solcell har enbart en spänning på ca 0,6 volt vilket inte är så användbart. För att kunna använda elen som solcellen genererar behöver den seriekopplas med flera solceller. Då kan vi få upp spänningen till något som går att använda. Fram tills för ca 5 år sedan såg alla solpaneler nästan likadana ut. En solpanel bestod då av 60 st seriekopplade solceller av formatet M2. M2 är solcells beteckningen på en 6 tums stor solcell. Eller nästan 6 tum  (156,75 x 156,75 mm). Vad som hänt sedan dess är att man börjat dela dessa solceller i två för att minska förlusterna i solpanelen och öka effektiviteten samt man har börjat tillverka större solceller, M6, M10 och M12. se nedan för ytterligare detaljer:

Ironiskt nog så ökar man alltså storlekarna på solcellerna i tillverkningen, men för att sedan göra effektiva solpaneler måste man ändå göra solcellerna mindre genom att dela på dem innan de kopplas ihop i solpanelen.

Vanligaste felen vid tillverkning av solpaneler

Certifiering av solpaneler

Solceller ska sitta ute i väder och vind under lång tid, mer än 30 år, så det är viktigt att alla ingående material är väl testade. För att säkerställa denna långa livslängd har man utvecklat en testmetod, en certifiering av kristallina solceller. Denna certifiering heter IEC 61215. I standarden för testning av solpaneler IEC 61215 ingår en mängd accelererade tester så som exempelvis termisk cykling, fukt och värme, statisk last, hagelstormstest och test för hot spots. Man utför alltså tester som simulerar en lång livslängd på en kort tid.

Vi på EcoTech Solenergi rekommenderar alla som ska köpa solceller eller installera solceller att kontrollera att solpanelerna är certifierade enligt IEC 61215. Då dessa tester är dyra och omfattande finns det fortfarande leverantörer som inte genomför denna certifiering för att kunna öka marginalerna på sina paneler. Men är inte solpanelerna certifierade enligt IEC 61215 riskerar de att få en betydligt kortare livslängd.

Vanliga fel på solpaneler

Vad är då de vanligaste felen på solpaneler? Enligt vår erfarenhet på EcoTech Solenergi som varit i solcellsbranschen sedan 2006 så är det sällan fel på själva solpanelen. Om solcellsanläggningen inte fungerar som den ska så är det vanligast att det är fel på växelriktaren. Men om man tittar på de fel som inträffar på själva solpaneler är de vanligaste enligt vår erfarenhet fel i lamineringen. Det kan exempelvis vara delaminering av solpanelen där ”smältplasten” (EVA eller POE) släpper från antingen glaset eller bakstycket (Back Sheet). Vid delaminering går degraderingen av solpanelen snabbt. Det tränger snabbt in fukt till solcellen som inom några månad minskar sin effekt kraftigt. Anledningen till uppkomst av delaminering av solcellsmodulen kan vara att glaset inte är ordentligt rengjort före laminering, att man använder EVA eller POE som är för gammalt  eller att laminerings processen sker under för kort tid eller vid för låg temperatur.

Slutsats: Solpaneler, Solcellsmoduler och solceller

Vi har försökt beskriva utvecklingen av solceller hittills samt titta framåt och se vad som förutspås hända i framtiden. PERC solcellen som dominerat marknaden under många år håller nu på att fasas ut till fördel för framför allt TOPCON solcellen. Även HJT eller SHJ solceller kommer att ha en andel av marknaden under ca 5-6 år framöver.

Solpaneler eller solcellsmoduler är olika namn på samma sak och består av flera seriekopplade solceller. Solpaneler finns idag i olika storlekar och med olika effekt. Detta beror på att solcellsbranschen har gått från det tidigare dominerande solcellsformatet M2 till större format såsom M6, M10 och M12. Dessa större format delas i två (half cut) eller fler för ökad effektivitet. Solpaneler eller solcellsmoduler går sällan sönder. I de fall då de ändå gjort det är den vanligaste orsaken delaminering där laminatet släpper från glaset.

Har ni några frågor om solceller eller solpaneler så får ni gärna ta kontakt med oss!