Allt om solcellers verkningsgrad

av
| 22 mars 2024

Verkningsgraden är ett mått på hur bra en solcellspanel är på att omvandla solljus till elektricitet. En hög verkningsgrad är en önskvärd egenskap. Om du funderar på att köpa solceller kommer du förr eller senare att börja jämföra solcellspaneler och verkningsgraden är en egenskap som skiljer en bra panel från en dålig.

Denna artikel går igenom allt som du behöver veta om solcellers verkningsgrad. Vi avslutar med viktig och kontraintuitiv slutsats, de solcellspanelerna med högst verkningsgrad behöver inte vara de bästa för ditt projekt!

Vad är verkningsgrad?

Verkningsgraden anger hur många procent av solens energi som omvandlas till användbar elektricitet. Det går att beräkna om man redan vet:

– P: effekten mätt i Watt (W),

– A: solcellernas ytstorlek i kvadratmeter (m2), och

– G: solstrålningen mätt i Watt per kvadratmeter(W/m2) som når solcellerna.

Du kan då få ut en verkningsgrad (M) i procent genom formeln:

M = P / (A * G)

Om du exempelvis har solceller som producerar 200 W på en yta av 1,7 kvm och solstrålningen är 1000 W/m2, så får du en verkningsgrad på 11,76% enligt följande beräkning:

M = 200 / (1,7 * 1000)

M = 0,1176

M = 11,76%

En solcellpanel har lägre verkningsgrad än en solcell

Innan vi går vidare är det viktigt att nämna skillnaden mellan solceller och solpaneler, eftersom begreppen ofta används utan skillnad i dagligt tal. Solceller är bara en komponent i en solpanel, den komponent som möjliggör utvinning av solenergi. En solpanel består av många solceller såväl som andra komponenter. Dessa komponenter inkluderar ramen, glasskiva, polymerskikt med mera.

Solpaneler har alltid lägre verkningsgrad än de enskilda solcellerna. Anledningen är enkel att förstå. Solpaneler har ett glasskikt som skyddar solpaneler från smuts och vatten, men som också drar ner effektiviteten. Dessutom tar själva ramen bort en del av den aktiva solcellsytan i panelen.

Man kan därför inte jämföra verkningsgraden för solceller med verkningsgraden för solpaneler. Det blir lite grann som att jämföra äpplen och päron.

För att inte orsaka förvirring och för att kunna jämföra siffror fokuserar vi därför i denna artikel på verkningsgraden för just solcellerna.

Verkningsgraden varierar mellan olika typer av solceller

Som vi har skrivit i en annan artikel finns det många typer av solceller. I korthet kan man dela in solceller i tre huvudkategorier – Monokristallina solceller, polykristallina solceller samt tunnfilmssolceller.

Monokristallina solceller: högsta verkningsgrad men dyra

Monokristallina solceller har den högsta verkningsgraden bland de tre huvudkategorierna vi går igenom här. Vissa av dessa kan uppnå en verkningsgrad på runt 21%.

De är tyvärr också dyrare än andra solceller, man kan räkna med att betala 1500-2000 kr per kvadratmeter. I och för sig är det kvaliteten man betalar för, men det kan vara bra att ta en titt på de andra varianterna innan man bestämmer sig.

Polykristallina solceller: lägre verkningsgrad men billigare

Polykristallina solceller har en något lägre verkningsgrad på runt 15–17%. Detta kan tyckas ineffektivt om man jämför med monokristallina solceller.

Kom dock ihåg att det bara är 20-25% sämre än för monokristallina solceller. Dessutom är de betydligt billigare. De kostar som regel mellan 1000-1500 kr per kvadratmeter.

Tunnfilmssolceller: lägst verkningsgrad men mest flexibla

Tunnfilmssolceller har den lägsta verkningsgraden bland de tre varianterna. Vissa av dem kan ha så låga verkningsgrad som 10%. De dyrare varianterna kan dock ha nästan lika högt verkningsgrad som polykristallina solceller.

Priserna varierar också väldigt kraftigt. De billigaste går på runt en tusenlapp, medan vissa kan kosta uppemot 3 000 kr. En del tunnfilmssolceller har alltså högre pris än monokristallina solceller, trots den låga verkningsgraden.

Hur kan det komma sig? Jo, en sak som utmärker tunnfilmssolceller är hur flexibla de är. De tillverkas genom att det aktiva materialet läggs på ett substrat som kan böjas och formas. Detta gör det möjligt att placera dem på ytor och former där det inte hade fungerat med kiselsolceller.

Kommande förbättringar av verkningsgraden

Även med monokristallina solceller uppnår vi idag max en fjärdedel i verkningsgrad. Det finns flera intressanta teknologier som kan leda till förbättringar av verkningsgraden hos solcellspaneler. Bland dessa finns det idag nanoteknologi. En potentiell förbättringsmöjlighet är att använda nanopartiklar för att öka stabiliteten och minska defekterna i materialet. Ett annat exempel på potentiella förbättringar är att använda ljushanteringsmetoder för att fånga mer solljus och minska absorptionförluster i cellen.

Det går även i teorin att använda flerleds- eller tandemceller för att dela upp solspektrumet i mindre delar för varje solcell. Detta höjer verkningsgränsen för varje sektion och för panelen som helhet.

Detta är fält där det utförs intensivt forsknings- och utvecklingsarbete. Eventuella stora genombrott från dessa teknologier ligger antagligen många år bort.

Teoretisk maxgräns för solceller gjorda av kisel

Frågan är väl kanske hur hög verkningsgrad man kommer kunna få ut från solceller i framtiden. Det är fullt möjligt att framtiden kommer med solceller med verkningsgrad på över 50 %, 70 % eller kanske till och med 90 %. Dessa solceller kommer dock inte vara tillverkade av kisel.

Kiselsolceller har nämligen en teoretisk maxgräns för verkningsgrad på runt 32%. Det beror främst på att kisel har ett bandgap på 1,1 eV. Detta matchar inte solspektrumet optimalt, vilket leder till maxgränsen.

I korthet betyder det att om man i framtiden ska designa solceller som har högre verkningsgrad än 32%, behöver man använda sig av andra material.

Faktorer som påverkar verkningsgraden

Solcellstyp är inte den enda faktorn som påverkar verkningsgraden för solceller. Det finns många faktorer att tänka på för att optimera verkningsgraden. Detta inkluderar att hålla koll på lutning, riktning, temperatur, väder och skuggning.

Lutning och riktning

I en annan artikel om väderstreck och lutning beskrev vi vikten av att ha en bra riktning och lutning på solcellerna. Om du riktar solcellerna rätt norrut så får du inte alls samma verkningsgrad som om du hade riktat solcellerna söderut.

Enligt vår artikel är den generellt bästa inställningen att rikta solcellerna söderut med 30-40 graders vertikal lutning. Detta gäller dock inte om du har hus eller berg som orsakar skuggningar. Dessa minskar såklart effektiviteten, eftersom delar av solljuset blockeras.

Skuggning

Skuggning är ett fenomen som hänger tätt samman med lutning, riktning och väder. När moln, träd eller byggnader blockerar solstrålarna drar det ner mängden el som kan produceras.

Solcellspaneler ligger ofta seriekopplade och om en eller flera paneler utsätts för skuggning kommer det påverka effektiviteten hos alla paneler. Man kan minska denna effektivitetsförlust med optimerare.

Dessa optimerare kan tillfälligt koppla bort ineffektiva solceller i en anläggning för att behålla spänningen och effekten i resten av installationen. Optimerare kan bara minska förlusten av effektivitet, och inte öka själva effektiviteten. Dock behöver man inte alltid skaffa optimerare, eftersom många paneler har Bypass-dioder som fungerar på ett liknande sätt.

Temperatur

En annan viktig faktor är temperaturen. Ju varmare solcellerna blir, desto mindre el kan de producera. Överhettning av solcellerna kan även leda till en kortare livslängd för solcellerna.

Solceller tappar i genomsnitt -0,3 till -0,4 % i verkningsgrad för varje grad över 25 grader. Celltemperaturen är ofta är 20-30 grader högre än omgivningen. Om omgivning har en temperatur på 20 grader kan man alltså räkna med en förlust på upp till 10 %. Om solcellerna befinner sig i högsommarvärme på 30 grader kan solcellerna tappa upp till 14 %.

För att hålla temperaturerna nere finns det flera metoder man kan använda. Man kan exempelvis använda kylning med luft (eller vatten på sommartid) eller värmespridande material. 

Särskilda lösningar för kylning är inte speciellt vanliga för villaanläggningar i Sverige. För stora anläggningar det finnas en vinst planera anläggningen så att man minimerar värmefångsten.

Väder

Villa med moln och solceller
Väder påverkar verkningsgraden på olika sätt

En annan faktor som har mindre betydelse är väderförhållanden. Utöver moln och andra skuggningar som kan blockera solljus finns det även väder som kan påverka solpanelerna negativt. Varma sommardagar kan exempelvis leda till höga temperaturer.

Under vintern kan även snö blockera solljuset helt och förhindra elproduktionen. Detta bör man dock ge mindre uppmärksamhet åt eftersom solinstrålningen på vintern är låg till att börja med.

Det finns även väderförhållanden som påverkar verkningsgraden positivt. Vid klarblå himmel med hög vind kan exempelvis vinden hjälpa till att kyla ner solcellerna, som annars potentiellt hade kunnat drabbas av höga temperaturer.

Man kan tyvärr inte göra så mycket åt själva vädret, men man kan alltid göra anpassningar. Bor man i södra delen av Sverige där man fort får varma dagar kan man välja solceller som inte är lika känsliga för höga temperaturer.

Tester för verkningsgrad

Hur vet man att solcellerna har den verkningsgrad som visas på specifikationerna? Det finns flera tester man kan göra för att kolla verkningsgraden.

Professionella tester för verkningsgrad görs som regel med en solsimulator, en anordning som använder lampor för att imitera solens strålning. Detta gör att man kan göra exakta tester. Det finns många olika standardiserade tester. Några kan vara bra att känna till, till exempel NOCT, STC och PTC.

NOCT

NOCT står för Nominal Operating Cell Temperature. Det är den temperatur som solcellen har under ett specifikt väderförhållande. Bland annat förutsätter NOCT att temperaturen i omgivningen är 20 grader, att vinden ligger på 1 m/s, och att solcellerna utsätts för en instrålning på 800 W/m2.

NOCT används alltså inte för att mäta verkningsgraden för solceller, utan temperaturen som solcellerna får. Det är ändå en viktig faktor att hålla koll på som påverkar verkningsgraden markant. Ju varmare solcellerna är när de utsätts för solljus, desto lägre blir verkningsgraden. För höga temperaturer kan även i värsta fall ge permanenta skador på solcellerna.

STC & PTC

STC och PTC är två standardiserade testförhållanden som används för att mäta solcellernas verkningsgrad och effekt. STC är det vanligare testet bland dessa två. PTC är den amerikanska versionen men ämnar att vara mer realistiskt.

STC står för Standard Test Conditions och används för att mäta både effekt och verkningsgrad. Testet går ut på att man utsätter solcellerna med en instrålning på 1 kW/m2 och en celltemperatur på 25 grader. Under testet bör även luftmassan ligga på AM 1,5.

PTC står för PVUSA Test Conditions och är väldigt lik STC. Den enda skillnaden är att vid ett test med PTC anger man omgivningstemperaturen istället för celltemperaturen. Omgivningstemperaturen ska vara densamma som för NOCT, alltså 20 grader.

Verkningsgraden försämras med tiden

En sollcells verkningsgrad förblir oftast inte densamma under hela dess livstid. Med tiden försämras verkningsgraden av olika orsaker, som kemiska föroreningar och läckströmmar.

LID

LID står för Light Induced Degradation. Det är en term för att beskriva försämringen av solcellens prestanda som orsakas av instabila kemiska föreningar. Det kan leda till en effektförlust på upp till 6 % efter de första timmarna av solljus.

Dock förekommer detta bara hos solceller av P-typ. P-typ är en typ av dopning som ger solcellerna en positiv laddning. Det förekommer främst hos visa kiselsolceller, både hos polykristallina och monokristallina solceller.

För att undvika detta rekommenderar vi att du letar efter solceller av N-typ. Dessa är motsatsen till solceller av P-typ när det kommer till dopning och laddning. De är mindre vanliga men har är både mindre känsliga för LID och har högre effektivitet.

PID

PID står för Potential-Induced Degradation och orsakas av läckströmmar mellan solpanelen och jordningen. Detta leder långsiktigt till en försämring av solcellens prestanda. Under en solpanels fulla livslängd kan PID leda till en effektförlust på upp till 30%. PID står därmed för den största delen av effektivitetstappet för solceller. Du skyddar dig mot effektförlust genom att välja paneler med lång effektgaranti.

Solceller med den bästa verkningsgraden är inte nödvändigtvis de bästa för dig

Bara för att solceller har högre verkningsgrad betyder inte nödvändigtvis att de är det bästa valet för dig. Man behöver även se på pris, livslängd och hur mycket utrymme du har för paneler. Om du har en begränsad yta att sätta solcellspaneler på så kan du behöva ta de paneler som har bäst verkningsgrad. Men om du har gott om utrymma kan du få en bättre avkastning om du väljer billigare paneler med lägre verkningsrad och helt enkelt sätter upp några paneler till.

I en annan artikel beskrever vi mer ingående hur du ska tänka när du letera efter de bästa solcellerna.

Hur hög är verkningsgraden på solceller?

Under början av 2024 var verkningsgraden hos solcellspaneler för vanliga villainstallationer mellan 22 % till 23,6 %.

Ska jag välja solcellerna med högst verkningsgrad?

Solcellspaneler med högsta verkningsgrad är inte alltid det bästa valet för ditt projekt. Vid gott om utrymme kan det vara mer ekonomiskt fördelaktigt att investera i fler, billigare paneler med lägre effektivitet, för att på så sätt uppnå samma installerade effekt till ett lägre pris. Dessutom bör du vara skeptisk till okända paneltillverkare som marknadsför paneler med extremt hög verkningsgrad.

Ska jag vänta på solceller med högre verkningsgrad?

Om du kan projektera en solcellsnläggning som ger en hög avkastning med dagens teknik så ska du inte skjuta upp ditt beslut. Rent eknomiskt förlorar du i en sådan situtaion på att vänta. Verkningsgraden ökar endast marginellt på solcellspaneler varje år och det finns inga kände genombrott inom ny teknik.


Läs mer