Utvecklingspotential

Det finns flera olika typer av solceller, den teknik som idag dominerar marknaden är solceller av kristallint kisel. De solcellsmoduler baserade på kristallina kiselsolceller som idag finns på marknaden har en verkningsgrad på omkring 15 procent. Ett solcellssystem med moduler och växelriktare kostar omkring 50 000 kronor per kilowatt, vilket ger en kostnad för solcellsel i Sverige på omkring 5 kronor per kWh.
Forskning och utveckling pågår för att göra solceller billigare och effektivare. För att drastiskt minska kostnaden för solceller drivs det parallellt med utvecklingen av de traditionella kiselsolcellerna utvecklingsspår för andra typer av solceller.

Tunnfilmssolceller

Tunnfilmssolceller brukar kallas för den andra generationens solceller. Utvecklingen av tunnfilmsolceller pågår runt om i världen, bland annat vid Ångströmslaboratoriet i Uppsala.

Intresset för tunnfilmsolceller är stort eftersom de har potential att tillverkas betydligt billigare än solceller baserade på kiselskivor. Med tunnfilmssolceller kan nämligen materialåtgången och materialkostnaden minskas dramatiskt eftersom tjockleken på det skikt av halvledarmaterial som används är väldigt tunt, omkring 1 mikrometer. Alltså en tusendels millimeter. Skiktet, eller tunnfilmen, läggs direkt på glasskivan med hjälp av en process som kallas förångning. En annan fördel med tunnfilms­solceller är att den producerande enhetens (cellens eller modulens) storlek inte längre begränsas av en kiselskivas storlek. Istället bestäms solcellsmodulens storlek av storleken på den glasskiva man väljer att använda. Ofta görs tunnfilmsmoduler i storlekar omkring 0,5x1,0 meter.

Den typ av tunnfilmssolceller som man forskar på vid Ångströmslaboratoriet kallas CIGS-solceller eftersom det ljusabsorberande materialet består av koppar-indium-gallium-diselenid med den kemiska beteckningen Cu(In,Ga)Se2. Det finns även flera andra typer av tunnfilmssolceller.

Grätzelsolceller

Det finns även svensk forskning om nanokristallina Grätzelsolceller. Grätzel­solcellen är en så kallad fotoelektrokemisk solcell och består av ett poröst halvledar­material som är indränkt i ett ljusabsorberande färgämne, en motelektrod och en elektrolyt. Grätzelsolceller brukar, jämte till exempel polymera solceller, räknas till den tredje generationens solceller.

Grätzelteknikens fördel, jämfört med konventionella solcellstekniker, är att den kan leda till produkter med avsevärt lägre kostnad per watt. Grätzelsolceller förväntas i framtiden kunna produceras på plastfilm i en maskin som påminner om en pappersmaskin i miniformat. Investeringskostnaden för att bygga en sådan produktionsanläggning bedöms vara låg jämfört med kostnaden för anläggningar för produktion av andra typer av solceller. Detta kan ha stor betydelse för teknikens spridning eftersom det möjliggör produktion hos små företag och minskar den ekonomiska risken med att starta solcellsproduktion.

Det övergripande målet för svensk forskning Grätzelceller är att ta fram en kostnadseffektiv solcellsteknik för storskaliga energitillämpningar. För att nå dit måste man att ta fram och testa nya färgämnen och elektrolyter och kombinera dessa till Grätzelsolceller som har högre verkningsgrad och bättre hållbarhet än vad som är fallet idag. Dagens Grätzelceller har en verkningsgrad på mindre än 7 procent, vilken dessutom försämras om cellen utsätts för stark belysning.

Solceller med reflektorer och vattenkylning

På Vattenfall Utveckling AB i Älvkarleby bedrivs också forskning om solenergi. Man fokuserar här mer på systemlösningar, kringutrustning och reflektorer (speglar) för att öka solstrålningen på solcellen och på så sätt få ut mera el från samma solcellsyta, än på att höja verkningsgraden för själva solcellen.

Möjligheten att med hjälp av reflektorteknik sänka kostnaderna för solcellsel bedöms av vissa forskare vara större än genom att höja verkningsgraden för själva solcellen. Bland annat arbetar man med en reflektor av böjd aluminiumplåt, en så kallad MaReCo, som koncentrerar solljuset på solcellen. Med reflektorer krävs det en mindre yta dyra solceller för att producera samma mängd el.

När man koncentrerar mycket solljus på en liten solcell stiger cellens temperatur. Beroende på egenskaper hos halvledarmaterialet som solcellen är tillverkad av så gör en hög celltemperatur att den elektriska spänningen över solcellen sjunker och därmed minskar solcellens elektriska effekt. Om det är vindstilla och starkt solsken kan uppvärmning av en solcell ske även då den inte omges av reflektorer, men med reflektorer kan celltemperaturen bli så hög att den dramatiskt reducerar cellens verkningsgrad, och den positiva effekten av reflektorn, det vill säga en högre elproduktion, uteblir. Ett sätt att råda bot på detta är att kyla solcellen. Kylning kan ske med hjälp av kylflänsar, men ett mer elegant sätt är att använda ett köldmedium, till exempel vanligt vatten, som cirkuleras i ett slutet system på baksidan av solcellerna. På detta sätt kan den termiska energin tillvaratas och användas för uppvärmning eller för att förvärma tappvarmvatten.

Systemaspekter av solcellsel

Då oreglerbara energikällor såsom vind- och solenergi förs in i el-systemet krävs tillgång till balanskraft, såsom till exempel vattenkraft, för att kunna kontrollera elnätets spänning och för att utbudet hela tiden ska matcha efterfrågan på el.

En annan aspekt på solel är att traditionella elsystem är storskaliga med ett fåtal stora produktionsanläggningar och med ett omfattande distributionsnät. Detta har historiskt medfört god tillgång till el till låga priser. För solcellsanläggningar som producerar el småskaligt och distribuerat utgör elsystemets centraliserade struktur ett hinder, inte enbart av teknisk natur utan även av administrativ, ekonomisk och legal karaktär. En introduktion i elsystemet av småskalig elproduktion från solcellsanläggningar ställer nya krav på elnätet, men kommer också att skapa ett tryck från solelproducenter på billig tillgång till elnätet.

Bedömning av ekonomisk potential

Hittills har kostnaderna för solel varit för höga för ett kommersiellt genombrott, annat än i speciella tillämpningar och i områden där det inte finns något elnät framdraget. Utvecklingen inom solcellsområdet gör dock att denna bild håller på att förändras. Det handlar om nya tillverkningsmetoder och nya typer av solceller, men också om ny kraftelektronik som gör det enklare och billigare att leverera solel till elnätet. Under åren 2004-2006 har dock priserna hållits uppe och till och med ökat något. Detta till följd av den höga efterfrågan på solcellsmoduler som har skapats framför allt av den tyska inmatningslagen, vilket i sin tur har lett till brist på högvärdigt kisel för framställning av solceller. 

I vissa länder tillämpas så kallad "net-metering", vilket i praktiken innebär att man låter elmätaren gå "baklänges" för den el som produceras med solcellsystem. Det skulle i mars 2005, för en hushållskund i Stockholms innerstad, innebära ett värde på elen på drygt 1 krona/kWh (inklusive nätavgift, energiskatt och moms). I jämförelse med dagens prisnivå på solcellsystem är det ändå en faktor fem i prisskillnad.

Om priset på solcellsystem fortsätter att minska med 4 procent per år relativt en hushållskunds elpris är tidshorisonten mer än 30 år tills solcellsel blir intressant för konsumenten ur en rent ekonomisk synvinkel. Är den relativa förändringen det dubbla eller trefaldiga, till exempel som konsekvens av ett genomslag för tunnfilmstekniken eller en knapphet på el, är tidshorisonten för ”break even” ungefär 20 respektive drygt 10 år. Jämförelsen med hushållskundens elpris förutsätter att "net-metering" är en rådande princip. Det är det inte i Sverige. Initiativ för att stödja en introduktion av solceller baseras ofta på "net-metering" men också att systeminstallationen stöds för att göra det ekonomiskt intressant.

En annan intressant infallsvinkel med avseende på kostnaderna är finansiering i samband med nybyggnation. I OS-byn i Sydney installerades solceller på husen. Av huspriserna på 220 000–400 000 USD blev kostnaden för solcellsystemen omkring 7000 USD. Till det priset framstår inte solcellsystemet som något speciellt attraktiv investering med tanke på värdet av den elektricitet som det kommer att generera. Men ett annat sätt att se det är att solcellsystemet bara ökar huspriset med 2–3 procent, vilket gör systemet "ekonomiskt tillgängligt" om det finansieras som en del av hela husköpet. Ett motsvarande synsätt kan vara tillämp­bart vid förnyelser av fasader och tak och potentiellt reducera kostnaden för taket eller solcellerna.

De kostnadsmål som satts upp för Ångström Solar Centers (20 års livslängd, 14 procent modulverkningsgrad och 700 kronor/m²) betyder solcellsmodulkostnader på mindre än 1 krona per watt. Solcellsmodulen är dock bara en del av solcellssystemet. Till detta kommer system- och installationskostnader. De svarar idag för ungefär hälften av den totala systemkostnaden. Om även dessa kostnader kan reduceras i samma grad som kostnaderna för moduler börjar man närma sig den där kronan per kilowattimma som ovanstående översiktliga analys identifierade som en intressant brytpunkt. Detta betyder att system- och installationskostnaderna blir allt viktigare ju bättre man lyckas med att få ned solcellsmodulkostnaden.