MIT's forsøk på å øke utnyttelsgraden av sollys til elektrisitet byr på et komplisert solcelleanlegg, som bruker svarte karbon-nanorør, som fungerer som en lystrakt over solcellene.
MIT's forsøk på å øke utnyttelsgraden av sollys til elektrisitet byr på et komplisert solcelleanlegg, som bruker svarte karbon-nanorør, som fungerer som en lystrakt over solcellene. (Bilde: MIT Technology Review)

Varme solceller

Solceller med 1000 grader varme filtre vil sprenge grensene for å utnytte sollys

De skal produsere dobbelt så mye elektrisitet som dagens standard-solceller.

  • Solenergi

De spiller en stadig viktigere rolle i energisystemet vårt. De i ferd med å fortrenge de fossile energikildene. Men på mange måter er utbredelsen merkelig:

Vanlige solcelleanlegg er bortimot like ineffektive i dag, som man begynte å sette dem opp på tak og bakkeområder.

Enkeltlags silisium-solceller, som er blant de mest brukte, lider av en effektivitetsgrense på omkring 32 prosent. Den lave utnyttelsesgradet henger blant annet sammen med at tradisjonelle solceller bare kan utnytte lys i de røde og fiolette spektrene.

Resten av sollyset – som ellers kunne blitt omdannet til elektrisitet – går tapt.

Forskere klare til å sprenge grensene

Effektivitetsgrensen for omdannelse av sollys til energi kalles «Shockley-Queisser Limit». Siden 1961 har grensen blant forskere vært en målestokk for solcellenes effektivitet.

Takket være et annerledes solcelleanlegg og seks forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Purdue University, kan denne grensen nå sprenges.

– Vi prøver å løse de fundamentale begrensningene ved fotovoltaisk strømproduksjon, sier David Bierman fra MIT til Smitsonian Mag.

Og i tillegg kan vi nå få muligheter til å få glede av solcelleanlegg til energilagring selv når Sola er utenfor synsvidde på grunn av skyer eller nattehimmel.

– Hvis det finnes muligheter for å lagre den termiske energien, er det en verdifull egenskap, siden termisk energilagring er vesentlig billigere enn strømlagring i batterier, sier seniorspesialist i solenergi ved danske Teknologisk Institut, Ivan Katic, når nettstedet Ingeniøren ber om hans vurdering av det nyskapende solcelleanlegget.

Forskere fra USA utfordrer Shockley-Queisser-grensen ved å konstruere en protyp av et solcelleanlegg som bryter med den tradisjonelle måten vi bruker fotovoltaiske celler til å omdanne lysenergi til elektrisk energi. Vanlige solceller er vanligvis produsert av grunnstoffet silisium, som blir tilsatt bor og fosfor på sidene. Solcellene danner et permanent elektrisk felt som gjør at frie elektroner i solcellen beveger seg i en bestemt retning.

Lysets fotoner slår løs elektroner, slik at de beveger seg fritt. Til slutt blir de samlet opp av et elektrisk ledende nett i solcellen, og det dannes en negativ pol.

Dermed bygger det seg opp en spenningsforskjell mellom for- og baksiden til solcellene. De to endene kan kobles sammen med et elektrisk kretsløp som vil prøve å utligne spenningsforskjellen. Fotonene tilfører energi til elektronene, som beveger seg mot den negative polen.

Fra solenergi til varme og fra varme til lys

MIT og Purdue University's solcelleanlegg gjør dette omvendt. Det omdanner først sollys til varme, og omdanner deretter varmen tilbake til lys – men vel å merke lys innenfor det spekteret som solcellen kan nyttiggjøre seg.

Det blir forsket intenst på å utnytte den infrarøde delen av spekteret som ikke blir absorbert av silisium-solceller. Men anlegget fra MIT og Purdue University er det første som har demonstrert at det kan absorbere mer energi enn enkeltstående, underliggende fotovoltaiske celler.

Utnyttelsesgraden er likevel for tiden helt nede på 6,8 prosent. Men det er selve perspektivet ved denne solcelleteknologien – kjent som «hot solar cells» – som gjør forskningen verd å se nærmere på.

Fordi akkurat som at vanlige solcelleanlegg blir forsterket for å øke virkningsgraden, kan hot solar cells også bli oppgraderte, og altså generere langt mer enn de tradisjonelle solcelleanleggene er i stand til.

MIT-forskerne anslår at de kan bli dobbelt så effektive som konvensjonelle fotovoltaiske celler.

Flytter teoretiske grenser

Kjernen i hot solar cells bygger i hovedsak på to ting.

For det første kan vi nå etter hvert for alvor nyttiggjøre oss av utviklingen innenfor materialer som har kommet etter at de første solcellene så dagens lys.

Dette er en materialutvikling som blant andre forskere fra Københavns Universitet har bidratt til ved sin forskning innen nanotråder. De kan konsentrere lysintensiteten opptil 15 ganger i forhold til det som normalt finnes i strålene fra sola. Dermed kan de være med på å heve grensen til Hockley-Queisser Limit med et par prosent.

– Som forsker er det spennende å flytte de teoretiske de teoretisk kjente grensene. Selv om det ikke høres så mye ut at grensen er flyttet med et par prosent, vil det få stor betydning for utviklingen av solceller, utnyttelse av solstrålene, og kanskje utvinningen av energi på internasjonalt plan, sa forsker Peter Krogstrup ved det danske Niels Bohr Instituttet allerede i 2013 om teknologien.

Lys-trakt

For det andre har forskerne i USA bygd en såkalt absorber-emitter til solcelleanleggene sine. Det er et lag som fungerer som en lys-trakt lagt over solcellene, og består av massive, svarte karbon-nanorør.

Nanorørene fanger opp energien fra sollyset og konverterer mesteparten til varme og deretter til en fotonstrøm som treffer selve solcellen.

I denne prosessen stiger temperaturen opp til omkring 1000 grader celsius, og en tilkoblet emitter sender denne termiske energien ut som lys – og altså primært innenfor de bølgelengdene som de fotovoltaiske cellene er i stand til å absorbere. Den tilkoblede emitteren, som omdanner varmeenergien til lys, er lagd av fotonisk krystall – en struktur som kan konstrueres helt ned til nanonivå, noe som er nødvendig hvis vi skal kunne kontrollere de bølgelengdene av lys som skal passere gjennom emitteren.

På toppen av dette finnes et spesialisert optisk filter som overfører det skreddersydde lyset, mens det reflekterer nesten alle ubrukelige fotoner tilbake. Denne formen for foton-gjenbruk resulterer i mer varme, noe som i sin tur produserer mer av det lyset som solcellen kan absorbere. Dermed går utnyttelsesgraden i systemet enda et hakk oppover.

Så dette er altså lite grann mer komplisert enn det gamle og ikke fullt så gode solcelleanlegget… Men helt unikt? Nei, ikke helt. 

Kan den dyre teknologien tjene seg inn?

MIT og Purdue Universitys solcelle-anlegg baserer seg på termo-fotovoltaikk; et kjent prinsipp der man kan omdanne termisk energi fra en glødende emitter til elektrisk energi via en spesiell solcelle med stor effektivitet i langbølge-området. Det har hittil blitt brukt til å få små mengder strøm rett ut av en forbrenningsprosess, noe som blant annet brukes til militære formål.

– MIT-prosjektet bygger på den samme idéen, men bruker sola til å varme opp emitteren. Uansett er det snakk om et mer komplisert system enn med tradisjonelle solcellepaneler, så det er et åpent spørsmål om den påståtte effektivitetsforbedringen kan tjenes inn i praksis, sier Ivan Katic.

– Prisen per kWh er det avgjørende, så lenge det finnes nok plass.

I forbindelse med optimering av sollyset til dagens solceller og omvendt, kan man gi solceller en såkalt oppkonverterende «brille» på baksiden kombinert med et speil, slik at fotonene omdannes til fotoner med en mer velegnet bølgelengde.

En annen metode for å øke virkningsgraden av solceller på, er ved å legge flere forskjellige solceller oppå hverandre, slik at hvert lag er optimert for hvert sitt bølgelengdeintervall.

Ivan Katic tror også at disse varme solcellene får bruk for hjelpemidler, hvis de skal kunne klare jobben. Ikke minst under nordlige forhold.

– For å få temperaturen høy nok til at emitteren gløder, snakker vi om konsentrert sollys, så det vil bli behov for speil eller linser som følger solbanen. Derfor vil oppfinnelsen ikke være så egnet i land med en stor andel av diffust sollys, for eksempel Danmark. Det er mulig at emitteren fungerer ved lav temperatur, men det virker litt uklart, anser Ivan Katic.

Mange utfordringer

MIT-forskerne innrømmer også at det finnes haugevis av utfordringer å jobbe med dersom hot solar cells skal kunne konkurrere med de tradisjonelle og enklere solcelle-anleggene.

– Vi er nødt til å løse en hel del utfordringer relatert til å komme opp i storskala-format før anlegget kan generere nok kraft til å være en brukbar løsning for folk flest, sier David Bierman til Smithsonian Mag.

Ett salgsargument er fremdeles at varme solceller og altså termo-fotovoltaikk kan dra nytte av at varme er lettere å lagre enn elektrisitet. Derfor kan hot solar cells-teknologien være med på i høyere grad å åpne opp for at overskuddsenergi kan lagres og deretter produsere energi – selv når sola ikke skinner.

Artikkelen ble opprinnelig publisert på Ing.dk

Kommentarer (12)

Kommentarer (12)