Eliminert: Hvert år kan et nytt gass- eller kullkraftverk erstattes av merproduksjonen fra en ørliten modifikasjon av elektroden på solcellene som produseres i verden (oppe til venstre). Illustrasjonsbilde av et kullkraftverk.
Eliminert: Hvert år kan et nytt gass- eller kullkraftverk erstattes av merproduksjonen fra en ørliten modifikasjon av elektroden på solcellene som produseres i verden (oppe til venstre). Illustrasjonsbilde av et kullkraftverk. (Bilde: Bombaert Patrick)

Solceller

Gjennombrudd: Forskere kan øke virkningsgraden i de solcellene vi produserer mest av

Merproduksjonen tilsvarer et middels stort kullkraftverk.

Det er to årsaker til at solceller har fått et fantastisk gjennomslag. Det er prisen som har falt jevnt og trutt i årtier, og det er virkningsgraden som har økt gjennom hele utviklingsperioden.

Nå har en forskergruppe i Silicon Valley, og norske Erik Sauar, med bakgrunn som teknologidirektør i REC, gjort et gjennombrudd som med ørsmå justeringer vil øke virkningsgraden i de solcellene vi produserer mest av i dag.

Ved å implementere den nye teknologien vil et solpanel med en effekt på 100 watt produsere 101 watt.

Én prosent høres kanskje ikke mye ut, men det betyr at med de delene av dagens verdensproduksjon som kan bruke teknologien, vil man få ut anslagsvis 400-500 MW ekstra.

Det er et passe stort gasskraftverk. Og en slik ekstrakapasitet kan man legge til hvert år i mange år, før denne typen solcelle sakte men sikkert erstattes av enda bedre versjoner.

Henter ut elektronene mer effektivt

Når solceller produseres, trykkes det på et nesten heldekkende lag med en spesiell aluminiumspasta på baksiden av waferen. Det belegget smeltes på noen sekunder i en ovn og blir til et porøst aluminiumslag.

Henter ut mer solenergi nesten gratis: Erik Sauar har sammen med forskere i Silicon Vally utviklet en ny type sølvelektrode som kan hente ut solenergi tilsvarende et gasskraftverk hver år når den innføres.
Henter ut mer solenergi nesten gratis: Erik Sauar har sammen med forskere i Silicon Vally utviklet en ny type sølvelektrode som kan hente ut solenergi tilsvarende et gasskraftverk hver år når den innføres. Bilde: ORV

Samtidig dannes det et sjikt mellom aluminiumsbelegget og silisiumkrystallen i form av en aluminium – silisiumlegering. Derfra trenger (diffunderer) noe aluminium videre inn i silisiumflaten skiven og danner et dopet sjikt, som etablerer et elektrisk felt under hele baksiden av solcellen. Et slikt felt kalles for BSF - Back-Surface Field.

Dette sjiktet gjør at det elektriske feltet kan dytte de ladningsbærerne, som ikke skal over i aluminiumen, unna, og sørge for at de som skal ledes over kommer frem.

Da man fikk til dette for rundt 20 år siden økte virkningsgraden kraftig og på en billig måte. Det var en vesentlig innovasjon for hele industrien.

Trenger sølvledere

Den nye metoden forskergruppen har utviklet går kort fortalt ut på følgende: Ved å legge sølvelektrodene oppå aluminiumsfilmen på baksiden av solceller - i stedet for å legge dem innimellom aluminiumsbelegget - øker den effektive flaten dekket av aluminium. Det er nok til å heve strømutbyttet med rundt en prosent.

Det er ikke mye men om de rundt 80 prosent av solcelleproduksjonen oppfinnelsen er rettet mot utgjør det altså en årlig mereffekt på 500 MW - for hvert års produksjon.

– Problemet er at vi trenger ledere av sølv for å hente ut strømmen fra aluminiumssjiktet. Det er ikke mulig å lodde direkte på aluminium, men vi kan lodde kobberlederne som binder cellene sammen på sølv, sier Sauar. 

Til nå har sølvet vært plassert på baksiden av solcellene i lange eller korte striper innimellom der det er trykket på aluminiumspasta.

– Men der det er sølv direkte på silisium får vi ikke dannet et BSF-sjikt og det påvirker virkningsgraden negativt. Det har vært prøvd i en årrekke å legge sølvbelegget oppå aluminiumssjiktet, men alle har gitt opp. Sølvet diffunderer inn i aluminiumsbelegget og blir borte slik at loddingen er like umulig. Dessuten er det syltynne aluminiumsbelegget for porøst og risikerer å gi etter dersom man  ikke får gjort endringer også i dette, forklarer Sauar. 

Flere oppfinnelser løser problemet sammen

Nå har forskergruppen altså løst problemet. Tre, fire oppfinnelser har til sammen gjort det mulig å legge sølvpastaen oppå aluminiumspastaen, uten at sølvet forsvinner under oppvarmingen og samtidig tilfredsstille de andre kravene.

Deler av pastaen danner en diffusjonsperre mot aluminium som tåler oppvarmingen. I tillegg trykkes aluminiumspastaen gjennom en spesial-laget maske slik at den får en ru overflate. Da får den en sterkere og større overflate som gjør at sølvkontakten hefter bedre, samtidig som man får en positiv effekt også i aluminiumssjiktet.

Nå og neste år: I dag legges sølvstripene som trengs for å kunne lodde kobberledere til solcellene rett på silisium, men omkranset av aluminium. Neste år vil industrien i stedet kunne legge sølvstripene oppå aluminiumsbelegget og da øker arealet av BSF, det vil si det arealet av cellen som er dopet med aluminium. Det øker effektiviteten i solcellen med nesten en prosent (relativt).
Nå og neste år: I dag legges sølvstripene som trengs for å kunne lodde kobberledere til solcellene rett på silisium, men omkranset av aluminium. Neste år vil industrien i stedet kunne legge sølvstripene oppå aluminiumsbelegget og da øker arealet av BSF, det vil si det arealet av cellen som er dopet med aluminium. Det øker effektiviteten i solcellen med nesten en prosent (relativt). Bilde: Erik Sauar

– Det er viktig at forbindelsen mellom kobberet og sølvet er mekanisk holdbar. Solceller må ofte tåle termiske forskjeller gjennom døgnet på over 80 grader. Kobber utvider seg mye under slik oppvarming, mens silisium nesten ikke ekspanderer termisk. Likevel må solcellene ha en levetid på 30 år, eller mer, sier Sauar.

Økningen i virkningsgrad stammer fra økningen i arealet på baksiden av solcellen som dekkes av BSF-sjiktet. Med denne teknikken vil det ligge et slikt legeringssjikt under hele aluminiumsbelegget som ikke lenger vil være avbrutt av sølvledere.

Samtidig blir aluminiumen under styrket slik at den tåler belastningen av å ha strømlederen på toppen.

Selv om forskerne forteller om den nye teknologien vil de ikke gå i detaljer ennå. Hovedpatentet er søkt, men det skal kanskje søkes om flere. Hvordan alt fungerer i praksis vil bli offentliggjort senere i år.

Stor sølvkunde

Tverrsnitt sett i et skanning elektronmikroskop: Den nye teknologien gjør det mulig å legge sølvsjiktet på overflaten av aluminiumslaget uten at det diffunderer inn i aluminiumen når solcellen utsettes for en temperatur på rundt 1000 grader i noen sekunder. I tillegg blir aluminiumslaget under sølvsjiktet styrket slik at det tåler å bli loddet til kobberledere.
Tverrsnitt sett i et skanning elektronmikroskop: Den nye teknologien gjør det mulig å legge sølvsjiktet på overflaten av aluminiumslaget uten at det diffunderer inn i aluminiumen når solcellen utsettes for en temperatur på rundt 1000 grader i noen sekunder. I tillegg blir aluminiumslaget under sølvsjiktet styrket slik at det tåler å bli loddet til kobberledere. Bilde: Erik Sauar

Solcelleindustrien bruker mye aluminium, men ikke så mye at den står for et betydelig forbruk av det som produseres. Derimot er industrien en betydelig avtaker av sølv, selv om forbruket av det edle metallet er mindre enn aluminium.

– Hadde det ikke vært for at solcellene trenger sølv for å fange opp elektroner, hadde sølvprodusentene fått problemer da markedet for analog film, som var en stor avtaker, forsvant, sier Sauar.

Lett å implementere

Den nye teknologien er svært lett å implementere i dagens solcellefabrikker. Det handler stort sett om å bytte ut den pastaen de bruker når de silketrykker, og å trykke med litt andre masker. Det betyr at det er svært lett og billig å hente ut denne ekstra effekten.

– Jeg tror at mange produsenter vil ta i bruk teknologien allerede neste år. I år vil de første bruke tiden til å teste ut prosessen og sikre at de kan garantere 25 års levetid på panelene. Teknologien kan brukes av rundt 80 prosent av de solcellene som produseres i dag, og vi vil nok se den i bruk i rundt 10 år fremover, sier Sauar.

Han sier at det meste av de solcellene som produseres i dag har en virkningsgrad som varierer fra 17 til 22 prosent. Om ti år forventer han at det vanlige spennet vil være mellom 21 og 26 prosent.

Men det kan skje gjennombrudd med såkalte tosjikt solceller basert på for eksempel perovskit eller galliumarsenid. I så fall vil virkningsgraden kunne krype over 30 prosent.

– Jeg jobber med to ulike prosjekter som ser på slike tolags solceller, sier han.

Forskningssjef Martin Kirkengen ved Institutt for Energiteknikk (IFE) mener det Sauar og forskningsgruppen har kommet fram til er en svært nyttig oppfinnelse som kan bidra til å gjøre selve arbeidshesten i solcelleindustrien mer effektiv. 

– Det at hele baksiden ikke er dekket av aluminium har alltid vært noe som har begrenset strømutbyttet fra de fleste solceller. Når sølvbelegget er festet direkte til silisiumoverflaten går mange elektroner feil vei og bidrar ikke til å generere energi, sier Kirkengen til Teknisk Ukeblad.

Kirkengen tror oppfinnelsen har stort potensial i det etterhvert enorme solcelle-markedet.

- Dette er et enormt marked i dag og det øker voldsomt fra år til år. En slik liten genial modifikasjon, som ikke krever at man bygger nye fabrikker eller produksjonsprosesser, er lett å selge. Jeg tror dette er en av de mange små endringen som skal til slik at vi på lang sikt kan redde verden, sier Forskningssjefen.

Kommentarer (10)

Kommentarer (10)