PRESSER OPP VIRKNINGSGRAD: Forskere har med CZTS, materialet nede til høyre i bildet, oppnådd en virkningsgrad på 12,5 prosent. Et tall de forventer vil stige. Apparatet på bildet brukes til å måle spenning og kapasitans i cellene. (Bilde: Sigurd Øygarden Flæten)
I SAMARBEID MED INDIA: Smagul Karazhanov ved IFE har arbeidet med forskere i India og Tyrkia på prosjektet siden årsskiftet. (Bilde: Sigurd Øygarden Flæten)
MAGNETRON SPUTTERING: Denne maskinen står på Kjeller og benyttes i tynnfilmteknologi for å spraysyltynne materiallag på en overflate - for eksempel en wafer. (Bilde: IFE)
Krystallstrykturen til CZTS. (Bilde: IFE)

CZTS

CZTS-teknologi kan redde solcellene fra Kinas jordart-monopol

Materialet er fritt for sjeldne metaller.

I solcellebransjen er det én løsning som gjelder: Silisium. Den har en overlegen virkningsgrad. Opp til 25,6 prosent av solenergien som samles opp på overflaten blir omdannet til elektrisk strøm. Teknologien er veletablert, og forskere finner stadig nye måter å gjøre den billigere og mer effektiv på.

– Vi har kjempegod teknologi på silisiumsolceller. Effektiviteten øker stadig. I fjor sto solceller for halvparten av all nyinstallert kraft i EU - 90 prosent av disse var av silisium, forklarer Erik Marstein på Institutt for energiteknikk.

Men silisiumcellene har flere baksider. De er tykke og upraktiske. I tillegg krever de store mengder råmateriale. En komplett silisiumscelle måler gjerne flere millimeter.

For ikke å snakke om materialsvinn i produksjonsprosessen - rundt halvparten av silisiumet ender opp som flis.

Les også: Ny solcelle kan forlenge batteritiden

Slanke, men markedsutsatte

Heldigvis har vi et alternativ - tynnfilmsolceller. Som navnet tilsier er de tynne og kan lages svært bøyelige.  Dette gjør at de lettere kan plasseres på overflater, som krummede tak og vegger. Dessuten krever de langt mindre råmateriale for å produseres enn silisiumcellene.

Et lag av halvledermateriale - gjerne i nanometerklassen - sprayes på en fleksibel overflate, og vips er cellens kjerneteknologi på plass. De kan raskt printes ut i stor skala, en prosess som allerede er utprøvd av det California-baserte selskapet Nanosolar, som forøvrig måtte gi tapt for pris- og virkningsgradpress fra silisiumsleverandørene.

Tynnfilmen har nemlig et godt stykke igjen opp til silisiumspanelene hva gjelder virkningsgrad. I tillegg er de vanligste typene - CIGS (kobber, indium, gallium og selen) og CdTe (kadmium og tellur) - avhengige av sjeldne materialer (indium, tellur) for å fungere.

En voldsom økning i etterspørselen etter disse metallene - blant annet til produksjon av skjermer - og en tilbudsside dominert av Kina, gjør at forskere nå forsøker å finne et alternativ. De vil ha en tynnfilmsolcelle med en høy virkningsgrad, som kan lages av lett tilgjengelige og billigere materialer. Prisen på flere av de sjeldne jordarter har nemlig økt dramatisk på markedet Kina for alvor inntok på starten av 90-tallet.

Les mer: Sjeldne jordarter: Kinas monopol skaper frykt

MAGNETRON SPUTTERING: Denne maskinen står på Kjeller og benyttes i tynnfilmteknologi for å spraysyltynne materiallag på en overflate - for eksempel en wafer. IFE

Utnytter avansert sollaboratorium

Og det er her CZTS (kobber-sink-tinnsulfid) kommer inn i bildet. Ikke bare er materialene frie for miljøgifter, de er også billige og lett tilgjengelige.

Materialet ble først laget i 1966, men dets fotovoltaiske egenskaper ble ikke oppdaget før i 1985. Likevel må man til slutten av 2000-tallet før forskerne for alvor så nytteverdien i løsningen. Forskningsstipender ble delt ut i hele verden, og tidlig i 2014 ble det klart at Norge skulle ta del i utviklingen gjennom New Indigo - et forskningssamarbeid mellom Europa og India.

Indiske forskere har nemlig funnet en effektiv metode for produksjon av CZTS-cellen, som de håper vil revolusjonere landets krafttilførsel. Materialene de produserer sendes i disse dager til institutt for energiteknikk (IFE) på Kjeller i Lillestrøm for testing og analyse.

Deres tester skal blant annet bidra til å optimalisere materialsammensetning og stoffenes plassering på cellen, studere cellens egenskaper over tid og samtidig øke forståelsen rundt CZTS som solcellemateriale.

– Vi skal finne ut hvordan og hvorfor dette fungerer, fastslår Erik Marstein i IFE.

Krystallstrykturen til CZTS. IFE
I målingen vil de blant annet benytte utstyr for å observere sammenhengen mellom kapasitans og spenning i materialet, for å nærmere studere cellens elektriske egenskaper. I tillegg vil de bruke utstyr for spraying av magnetron. I CZTS-prosjektet vil det brukes for å tilføre cellen aluminium-dopet sinkoksid, som brukes som en elektrode i cellen.

De vil også benytte seg av et arsenal av målere for å karakterisere optiske, strukturelle, overflatemorfologiske og vibrasjonsegenskaper i materialet.

Les mer: – Når kineserne bestemmer seg for å ta et marked, så gjør de det

I SAMARBEID MED INDIA: Smagul Karazhanov ved IFE har arbeidet med forskere i India og Tyrkia på prosjektet siden årsskiftet. Sigurd Øygarden Flæten

– Kjemper for høyere virkningsgrad

IFE på kjeller arbeider i hovedsak med utvikling av silisiumsteknologi, men har i dette prosjektet stilt sitt velutstyrte laboratorium til disposisjon for det internasjonale forskningsprosjektet.

Sammen med de indiske forskerne har de nådd en virkningsgrad på 12 prosent i det fotovoltaiske materialet - like under verdensrekorden på 12,6 prosent. En virkningsgrad forskerne tror kan bli langt høyere.

– Det skjer mange store sprang i utviklingen av nye celler. CaTd-cellen hadde en virkningsgrad på 12 prosent i mange år, før ny utvikling førte den opp på 16 prosent. Noen år etter kom den helt opp til 20 prosent, sier Smagul Karazhanov ved IFEs avdeling for solenergi.

Han utelukker ikke at vi kan se en lignende utvikling hos CZTS-cellen, som i disse stunder utvikles i Norge og India, så vel som i blant annet Sverige, Australia, USA og hos private aktører i solcellebransjen.

– Det kjempes globalt for å øke virkningsgraden i solcellen. Fremskrittene kan komme når som helst., understreker han.

Les også:

Samler norsk solcelleforskning

Han er landets første boligeier som leverer strøm til nettet