Organiske solceller består av rimelige materialer og kan produseres billig. Men de har fortsatt for lav virkningsgrad og er for ustabile til å konkurrere med for eksempel silisium-solceller. Se brødteksten for forklaring av prosessen. (Bilde: Institutt for kjemi, fakultet for naturvitenskap, NTNU)

Organiske solceller

Dansker nært nytt solcellegjennombrudd: Skal printe bøyelige, billige solceller til massene

Men teknologien kan allerede være for sent ute.

Ambisjonen om at solceller skulle redde verden, den var absolutt tilstede da forskerne oppdaget og utviklet de første organiske solcellene på 80- og 90-tallet.

Forskerne tenkte store tanker da de så muligheten for å utvikle solceller som var mye billigere enn cellene basert på grunnstoffet silisium.

– Hovedtanken med organiske solceller er å lage noe som er billig nok og masseproduserbart. Skal vi redde verden ved hjelp av solceller, må vi ha mye areal, veldig billig, veldig fort, sier Erik Stensrud Marstein, forsker ved Institutt for energiteknikk (IFE), til Teknisk Ukeblad.

En gruppe danske og tyske forskere nærmer seg et gjennombrudd som muligens kan gjøre ambisjonen til en realitet. Samtidig kan de allerede være for sent ute.

For å forstå dette må vi først beskrive to fordeler og to ulemper ved organiske solceller.

Polymer-membranet er fleksibelt og kan bøyes.
Polymer-membranet er fleksibelt og kan bøyes. Foto: Syddansk universitet

Billige og fleksible

La oss ta fordelene først: De er billige og fleksible.

Grunnsteinen i organiske solceller er en karbonrik tynnfilm, gjerne laget av polymer. Dette er billige materialer som kan behandles på ulike måter. Det gjør produksjonskostnadene lave.

Tynnfilmen inneholder en blanding av to materialer. Det ene laget fungerer som elektron-donor, det andre laget som elektron-akseptor. Elektrisiteten genereres ved at sollyset får elektronene i solcella til å organisere seg annerledes. Denne omorganiseringen er det som til slutt genererer strøm, når elektronene etter tur samles opp av topp- og bunnelektrodene.

Bildet viser en type tredje generasjon organiske solceller som inneholder et lyshøstende organisk fargestoff koblet til grafén som det aktive laget: 1) Sollyset passerer gjennom en gjennomsiktig elektrode. 2) Solenergien absorberes av det organiske fargestoffet (på samme måte som planter bruker klorofyll). 3) Energien fra sollyset gjør at et elektron i fargestoffet eksiteres til et høyere energinivå og ladningsseparasjonen skjer. Dette elektronet kan nå bevege seg fritt gjennom den ytre kretsen hvor det kan gjøre arbeid. 4) Når elektronet når anoden blir det gjenforent med fargestoffet via en elektrolyttløsning ofte basert på jodid/trijodid, dette skjer i en prosess over flere steg. 5) Elektronet overføres til elektrolytten. 6) Elektrolytten kan overføre elektronet tilbake til fargestoffet, som da er klart for en ny syklus. I løpet av 20 år gjennomfører hvert fargestoff opptil 100 millioner sykluser.
Bildet viser en type tredje generasjon organiske solceller som inneholder et lyshøstende organisk fargestoff koblet til grafén som det aktive laget: 1) Sollyset passerer gjennom en gjennomsiktig elektrode. 2) Solenergien absorberes av det organiske fargestoffet (på samme måte som planter bruker klorofyll). 3) Energien fra sollyset gjør at et elektron i fargestoffet eksiteres til et høyere energinivå og ladningsseparasjonen skjer. Dette elektronet kan nå bevege seg fritt gjennom den ytre kretsen hvor det kan gjøre arbeid. 4) Når elektronet når anoden blir det gjenforent med fargestoffet via en elektrolyttløsning ofte basert på jodid/trijodid, dette skjer i en prosess over flere steg. 5) Elektronet overføres til elektrolytten. 6) Elektrolytten kan overføre elektronet tilbake til fargestoffet, som da er klart for en ny syklus. I løpet av 20 år gjennomfører hvert fargestoff opptil 100 millioner sykluser. Foto: Institutt for kjemi, fakultet for naturvitenskap, NTNU

Solcelleproduksjonen kan skje i romtemperatur, noe som skiller dem fra uorganiske, silisiumbaserte solceller. De krever nemlig svært høye temperaturer for å fremstilles.

Mens man potensielt kan produsere mellom 1000 og 100.000 kvadratmeter med organiske solceller om dagen, bruker man rundt ett år på å produsere like mange silisium-solceller, ifølge rapport. Kortere produksjonstid er en fordel i seg selv, men gjør også produksjonskostnadene lavere.

I tillegg tillater det organiske materialet en fleksibilitet man ikke finner i den rigide, silisiumbaserte motparten. De kan dermed bøyes og tøyes uten å bli ødelagt. I tillegg kan de lages gjennomsiktig. Fleksibiliteten i både form og utseende muliggjør flere bruksområder enn de rigide silisiumsolcellene.

Her kan man for eksempel tenke seg klesplagg med integrerte solceller.

Ustabile og lite effektive

Virkningsgrad

For krystallinske solceller er det demonstrert en virkningsgrad på opptil 26,3 prosent på krystallinske silisiumceller, mens de kommersielt tilgjengelige silisiumbaserte solcellene har en virkningsgrad på rundt 20 prosent.

Heliatek innehar rekorden for organiske solcellers virkningsgrad, på 13,2 prosent. Dette er imidlertid under laboratorieforhold. Det gjenstår flere utfordringer før man få tilnærmet samme virkningsgrad på større flater, for eksempel ved å skrive ut solcellene.

Det er to store ulemper ved organiske solceller, som hindrer dem fra å utgjøre noen konkurranse for silisiumbaserte solceller per dags dato: Virkningsgrad og holdbarhet.

C. W. Tangs første tolags organisk solcelle fra 1986 hadde en virkningsgrad på én prosent. I dag har laboratorierekorden steget til 13,2 prosent, ifølge produsent Heliatek. Dette er i beste fall rundt halvparten av silisiumbaserte solceller (se faktaboks).

Holdbarheten kan heller ikke måle seg med de beste alternativene. Mens produsentene av de silisiumbaserte solcellene gjerne tilbyr ytelsesgarantier i 25-30 år, er man heldig dersom de organiske solcellene holder i fem år.

– Markedet for organiske solceller er så å si ikke-eksisterende i dag, sier postdoktor Solon Oikonomopoulos, som forsker på utvikling av organiske solcellematerialer ved NTNUs Institutt for kjemi.

Det vil danske og tyske forskere gjøre noe med.

Vil skrive ut fleksible, ultratynne solceller

Forskerne ved Syddansk universitet (SDU) utvikler nemlig en metode for å skrive ut de organiske solcellene, omtrent slik man skriver ut plakater. Det melder universitetet på sine nettsider.

Morten Madsen, førsteamanuensis ved SDU-forskningssenteret Nanosyd, forteller at kostnadene skal være så lave at produksjonen av cellene ikke trenger offentlig tilskudd.

Forskerteamet har allerede produsert organiske solceller med en tykkelse på 10 mikrometer, tilsvarende 0,01 millimeter.

Solcellene skal skrives ut i serier på store ruller, med den såkalte rull til rull-metoden. Store flateområder skal kunne monteres ved hjelp av totalt to kontaktpunkter – de trenger ikke deles opp i mindre biter. Dette skal forenkle installasjonen og vedlikeholdet.

De fleksible solcellene kan skrives ut.
De fleksible solcellene kan skrives ut. Foto: Syddansk universitet

Slik skrives cellene ut

For å skrive ut cellene, oppløses det organiske materialet i et flytende løsemiddel. Da fungerer stoffet omtrent på samme måte som blekket i en skriver, forteller Oikonomopoulos ved NTNU.

– Den enkleste analogien er neglelakk. Polymer fortynnes i løsemiddelet, slik at det kan påføres et underlagsmateriale. Når løsemiddelet forsvinner, forblir en tynn film på underlagsmaterialet, sier han.

Utfordringen er å bevare og forbedre virkningsgraden og holdbarheten når man skalerer opp produksjonen på denne måten. Madsen ønsker ikke ovenfor TU å tallfeste hva slags virkningsgrad og holdbarhet de ønsker å oppnå, men forteller at man ikke kan forvente 13,2 prosent virkningsgrad ved denne metoden.

– Vi vil skru opp virkningsgraden så høyt som mulig, og arbeider parallelt med å forbedre levetiden. Dette gjøres ved å eksperimentere med ulike tilsetningsstoffer i cellene, sier Madsen.

De organiske solcellene skal skrives ut på ruller. Metoden kalles Roll2Roll.
De organiske solcellene skal skrives ut på ruller. Metoden kalles Roll2Roll. Foto: Syddansk universitet

Skjermes fra fuktighet og oksygen

Ved hjelp av nanoteknologi har forskerne blant annet integrert et såkalt diffraksjonsgitter som sprer lyset. På den måten absorberes en større mengde lys av cellene. En spesialtilpasset printer gjør at forskerne raskt kan teste ut ulike metoder for å forlenge virkningsgrad og levetid.

Oikonomopoulos forteller at det viktigste man kan gjøre for å forlenge levetiden, er å skjerme cellene fra fuktighet og oksygen.

– Det er ikke noe annerledes enn annet organisk materiale. Man forsøker å stenge ute luft og vann for å bremse nedbrytningsprosessen, sier han. 

Madsen anslår at de er mellom tre og fem år fra å kommersialisere løsningen sin.

Allerede for sent ute?

SDU er ikke de eneste som jobber med organiske solceller. Danmarks Tekniske Universitet, Det finske teknologiforskningsenteret VVT og amerikanske MIT er også blant dem som forsker på måter å forbedre teknologien. Senter for plastelektronikk ved Imperial College i London og det sveitsiske føderale teknologiinstituttet i Lausanne i Sveits (EPFL) holder også på med store forskningsprosjekter om temaet.

Til tross for den store forskningsaktiviteten, kan teknologien allerede være for sent ute for å møte de store ambisjonene, skal vi tro Marstein ved IFE. Han setter nemlig spørsmålstegn ved hele konseptet organiske solceller.

– Organiske solceller ble begynt utviklet mens silisium-celler var veldig dyre. Siden den gang har prisfallet innen silisium vært ekstremt, sier han.

Den gjennomsnittlige spot-prisen på silisium-solceller var 76,67 dollar per watt i 1977. På tampen av 2016 hadde spotprisen sunket til 36 cent per watt, ifølge Bloomberg.

– Det er vanskelig å komme inn med et mainstreamprodukt i et marked som investerer over tusen milliarder i silisiumbaserte solceller hvert år, sier Marstein.

Konkurransedyktighet

En forskningsartikkel fra 2009 konkluderer med at organiske solceller ikke er konkurransedyktige i energimarkedet i USA ved en effektivitet på fem prosent og en holdbarhet på fem år. Energikostnaden levetiden igjennom (LCoE) vil da være mellom 0,49 og 0,85 dollar per kilowatt time. Dersom effektiviteten økes til 15 prosent og holdbarheten økes til 20 år, vil kostnaden per kilowatt time (LCOE) reduseres til mellom 0,07 og 0,13 dollar. Til sammenlikning har olje en kostnad per kilowatt time på mellom 0,06 og 0,08 dollar, ifølge rapporten. Siden den gang har imidlertid solcelleteknologien utviklet seg.  

Madsen vil ikke angi hvor mye de organiske solcellene endelig vil koste. Han viser imidlertid til en artikkel av Frederik Krebs, en av verdens fremste forskere på organiske solceller. Artikkelen konkluderer med at utskrevede solcellepanel i Sør-Europa har seks måneders tilbakebetalingstid.

– Må se på hele livssyklusen

En av organiske solcellers viktigste fordeler er, ifølge Marstein, at materialene ikke kommer fra begrenset tilgjengelige ressurser.

– Tynnfilmteknologien CdTe bruker kadmium, CIGS-teknologien bruker det begrenset tilgjengelige grunnstoffet indium, mens silisium-solcellene bruker lett tilgjengelig silisium. Dersom man klarer å utvikle solceller av tilgjengelige, billige og bærekraftige materialer, vil det være veldig positivt, sier han.

Det betyr likevel ikke at miljøhensynet nødvendigvis vil gå i favør av organiske solceller, poengterer Marstein.

– I analyser av ulike teknologier må vi se på hele produktets livssyklus. Slike analyser er ekstremt sårbare for virkningsgraden. Mange teknologier er tilsynelatende grønne, men tar seg dårlig ut når man tar med materialer og kostnader til installasjon, sier Marstein.

Madsen mener de organiske solcellene vil bli så billige å montere og skifte ut at det ikke gjør så mye at levetiden ikke kan sammenliknes med de beste i bransjen.

Slik kan en organisk solcelle se ut.
Slik kan en organisk solcelle se ut. Foto: Institutt for kjemi, Fakultet for naturvitenskap, NTNU

– Bra til portable formål

Oikonomopoulos ved NTNU mener organiske solceller ikke er den eneste og endelige løsningen på verdens energiutfordringer. Han tror teknologien vil kunne eksistere ved siden av andre løsninger.

– Organiske solceller kan for eksempel brukes til portable formål. Man kan rulle solcelleapparatet sammen og putte det i lommen. Når du trenger strøm, kan du bare rulle ut apparatet i sola, sier han.   

Oikonomopoulos legger til at teknologien hele tiden utvikler seg.

– Selv om organiske solceller kanskje ikke revolusjonerer solcellemarkedet, er utviklingen avhengig av den kunnskapen vi får ved å utvikle dem, sier han.

– Da organiske solceller først ble oppdaget, hadde de en levetid på noen minutter. I dag er perovskitt-solceller den nyeste og mest interessante teknologien. Men disse har omtrent samme levetid som organiske solceller hadde i begynnelsen, supplerer Oikonomopoulos. 

Kommentarer (4)

Kommentarer (4)