Testlaben: NTNU-forsker Xiaodong Yang på testlaben for solceller. Lampelyset ligner sollys, og han måler hvor god solcella er.
Testlaben: NTNU-forsker Xiaodong Yang på testlaben for solceller. Lampelyset ligner sollys, og han måler hvor god solcella er. (Bilde: Per Henning, NTNU)

SOLCELLER

Doper materialer for å skape nytt solcelle-gjennombrudd

Silisium dominerer overlegent i dag, men om 50 år kan det være noe helt annet som høster solstrøm på hustakene våre.

Under den tette, blå skogen av silisiumceller vokser et kratt av nye arter. Noen er bare små spirer, mens andre har slått rot. Har du hørt om tandemceller og mellombåndceller? Hva med opp- og nedkonvertering? Bli med på en tur i solcelle-underskogen.

Solcellemarkedet vokser. I fjor var den globale økningen på 25 prosent eller 50 GW, ifølge industriorganisasjonen Solar Power Europe.

– Det vil si opp mot 500 kvadratkilometer med paneler, og en omsetning på rundt 1300 milliarder kroner, sier Erik Stensrud Marstein, leder for Norsk forskningssenter for solcelleteknologi.

Fjorårets globale utbygging tilsvarer Danmarks årsforbruk av elektrisitet 1,5 ganger. Hele 90 prosent av dagens solceller er basert på silisium, og prisen har falt med mer enn 99 prosent siden slutten av 1970-tallet, ifølge senterlederen.

Foreløpig er det ingen rimelige alternativer på markedet som kan konkurrere på effektivitet, men det finnes mer effektive, dyrere alternativer. Mange leter også etter alternativer til silisium som er billigere og mer fleksible, mens som gjerne går ned på effektivitet. Tynnfilmteknologi og organiske solceller er eksempler på dette.

Håndterer flere farger

På forskningsstadiet finnes flere nye konsepter som sikter forbi effektivitetsgrensene. Grovt sagt kan disse deles inn i to kategorier: Enten handler det om å forandre på selve solcella, eller så handler det om å forandre på sollyset.

Virkningsgrad målt med innstråling på én sol: 

Krystallinsk silisiumcelle fra Kaneka: 26.3 prosent
Krystallinsk silisiumcelle fra Panasonic: 25.6 prosent
Tynnfilmcelle i gallium-arsenid fra Alta Devices: 28.8 prosent
Tynnfilmcelle i kobber-indium-gallium-selenid fra Solibro: 21 prosent
Perovskittcelle fra KRICT/UNIST: 19,7 prosent
Solcelle av lysabsorberende fargestoff fra Sharp: 11,9 prosent
Organisk solcelle fra Toshiba: 11,2 prosent
Tandemcelle fra Spectrolab: 38,8 prosent
Mellombåndcelle i gallium-arsenid fra amerikanske forskere: 19 prosent

Kilder:
• Green m.fl (2016), Progress in photovoltaics
• Kaneka
• Applied Physics Letters

Selve solcella kan forbedres så den effektivt høster energi fra flere farger i sollyset enn dagens silisiumceller. Sollyset kan på sin side forandres ved at fargene konverteres til bølgelengder som cellene er gode til å høste energi fra.

Den teoretiske effektivitetsgrensa for silisiumcellene er på 29,4 prosent, nettopp fordi de ikke er i stand til å høste energi fra alle fargene i sollyset på en effektiv måte. I dag har verdens beste silisiumceller en virkningsgrad på 26,3 prosent målt med én sol (innstrålt effekt på 1000 W/m2). Dette er en fullskala, førkommersiell celle fra Kaneka.

– Det er kjempekult at man har klart å oppnå godt over 80 prosent av det som er fysisk mulig for denne typen solceller, sier Marstein.

Normalt ligger kommersielle silisiumceller på 16-24 prosent virkningsgrad.

Mange bølgelengder

Når fotoner i sollyset sparker løs elektroner i silisium-atomene, kan disse høstes av solcella. Energien som trengs for å rive løs elektronet fra atomets ytterste fylte elektronskall til neste energinivå, kalles båndgapet.

Sollyset, på sin side, er satt sammen av mange forskjellige bølgelengder (farger), og energien til fotonene er omvendt proporsjonal med bølgelengden. Bare fotonene med høyere eller samme energi som båndgapet kan sparke løs elektroner.

Tar over: - Solcellene vil ta over verden, men før det må vi få energisystemer som tåler en mye større solkraftproduksjon enn de vi har i dag, sier professor Erik Stensrud Marstein (t.h.). Her står han sammen med forsknings­direktør Arve Holt (t.v.) og forskningsleder Øystein Ulleberg ved Institutt for energi­teknikk. IFE står i spissen for Norsk forsknings­senter for solcelleteknologi.
Tar over: - Solcellene vil ta over verden, men før det må vi få energisystemer som tåler en mye større solkraftproduksjon enn de vi har i dag, sier professor Erik Stensrud Marstein (t.h.). Her står han sammen med forsknings­direktør Arve Holt (t.v.) og forskningsleder Øystein Ulleberg ved Institutt for energi­teknikk. IFE står i spissen for Norsk forsknings­senter for solcelleteknologi. Foto: IFE

– Når vi velger et materialsystem, vil vi typisk bare kunne bruke én bølgelengde optimalt. Enten vi velger silisium, perovskitt, kadmium-tellurid eller gallium-arsenid, vil det derfor være en begrensning på virkningsgraden, sier Marstein.

For fotonene med høyere energi enn båndgapet, går overskuddet tapt som varme. Fotoner med mindre energi passerer rett gjennom uten å overføre energi.

Problemet kan ikke løses ved å velge materialer med veldig lite båndgap, siden stort båndgap gir lite strøm og mye spenning, mens lite båndgap gir mye strøm og lite spenning. Den beste teoretiske solcella laget av ett enkelt halvledermateriale har et båndgap på ca 1,4 elektronvolt (eV), med en maksimal effektivitet på 33 prosent.

Silisium absorberer rødt

Båndgapet til silisium er på 1,12 eV, så den maksimale effektiviteten er litt lavere enn den optimale. Til gjengjeld er dette det vanligste grunnstoffet i jordskorpa etter oksygen.

Silisiumceller er mest effektive til å høste energi fra rødt lys, som har bølgelengde på rundt 700 nanometer (nm), og fra nær infrarødt ned til 1000 nm. Mye av det energetiske blå lyset blir reflektert, sammen med det ultrafiolette. Det forklarer fargen på dagens paneler. Det lavenergetiske infrarøde lyset går tvers gjennom.

Dersom solceller optimalisert for ulike deler av solspekteret legges oppå hverandre som i et smørbrød, kan effektiviteten gjøre et hopp. For eksempel kan ett materiale høster energi fra blått, ett fra rødt og ett fra grønt. Slike konsepter kalles tandemceller eller multi junction-
celler.

Lager krystallstruktur: Substratet lastes inn i slusa til vakuumkammeret. Inne i kammeret plasseres også en liten bit av det mellombåndmaterialet skal lages av - for eksempel sammenpresset pulver av sink, svovel og krom. I kammeret blir denne biten beskutt med en laserpuls, så overflaten fordamper til en plasmasky. Dette fester seg på substratet, som har den ønskede krystallstrukturen.
Lager krystallstruktur: Substratet lastes inn i slusa til vakuumkammeret. Inne i kammeret plasseres også en liten bit av det mellombåndmaterialet skal lages av - for eksempel sammenpresset pulver av sink, svovel og krom. I kammeret blir denne biten beskutt med en laserpuls, så overflaten fordamper til en plasmasky. Dette fester seg på substratet, som har den ønskede krystallstrukturen. Foto: Per Henning, NTNU

– Tandemcellene på markedet er svindyre og brukes for eksempel til romfart, sier Marstein.

Rekorden er en virkningsgrad på nærmere 40 prosent målt med én sol, og over 46 prosent under konsentrert sollys. Å oppnå dette innebærer å gro mange tynnfilmer i nanometertykkelse.

Under utvikling: Her er en solcelle som NTNU-forskerne skal teste. Der den er blå, er det lagt på solcelle-tynnfilmer. Fargen skyldes at tykkelsen på den øverste filmen (50 nm) skaper interferens­effekter på samme måte som et tynt lag av olje på vann. «E»-formen er topp-elektroden hvor strømmen trekkes ut når solcella testes.
Under utvikling: Her er en solcelle som NTNU-forskerne skal teste. Der den er blå, er det lagt på solcelle-tynnfilmer. Fargen skyldes at tykkelsen på den øverste filmen (50 nm) skaper interferens­effekter på samme måte som et tynt lag av olje på vann. «E»-formen er topp-elektroden hvor strømmen trekkes ut når solcella testes. Foto: Per Henning, NTNU

– Jeg er dypt imponert over at noen får det til. Dette er nanosløyd på høyt nivå. Det er ikke trivielt å rulle ut kvadratkilometervis enkelt og billig, sier Marstein.

Én tilnærmingsmåte er å bruke parabolske speil eller bestemte typer linser til å fokusere lyset fra et stort areal ned på en liten celle.

Et annet alternativ er å lære av tandemcellene, men gjøre dem enklere. Flere forskningsgrupper undersøker om det er mulig å oppnå tilsvarende materialfunksjonalitet ved å introdusere mellomliggende bånd.

Tre båndgap

Testes: Ledningene til venstre er koblet til bak-elektroden, hvor strømmen går ut. Den kommer inn igjen gjennom probene på topp-elektroden. Inn og ut går det like mye strøm, ellers ville solcella tømmes for elektroner.
Testes: Ledningene til venstre er koblet til bak-elektroden, hvor strømmen går ut. Den kommer inn igjen gjennom probene på topp-elektroden. Inn og ut går det like mye strøm, ellers ville solcella tømmes for elektroner. Foto: Per Henning, NTNU

– Det trenger ikke være så vanskelig å ha nanometerkontroll, men det er mer tidkrevende, sier førsteamanuensis Turid Worren Reenaas.

Hun leder en forskningsgruppe ved NTNU som prøver å utvikle mellombåndceller ved å fremstille et materiale med tre båndgap. Én metode er å dope et halvledermateriale som i utgangspunktet har stort båndgap. Som i idretten vil doping si å introdusere fremmede atomer for å øke prestasjonen. I dag dopes silisiumet i solcellene for å bedre de elektriske egenskapene, men i dette tilfellet handler dopingen om å bedre materialenes optiske egenskaper.

– Vi vet ikke om det er mulig å dope så mye som vi ønsker. Det er en viss sjanse for at det ikke er mulig å få fram de ønskede materialegenskapene. Men det er viktig å prøve, for gevinsten vil være stor om man lykkes, sier Reenaas.

Potensialet er 50-100 prosent mer effektivitet enn dagens silisiumceller. Forskerne i NTNU-gruppa har flere prosjekter - de doper sinksulfid med krom, og titanoksid med krom og nitrogen. Disse stoffene er valgt med bærekraft i bakhodet. De prøver også å dope gallium-arsenid med nitrogen, men det finnes lite gallium i verden, understreker Reenaas.

Arealbruk

Hun tror det er viktig å få opp effektiviteten fordi arealbruken stadig blir mer sentral. Framtidas bygninger skal generere energi, og på husene er det begrenset med plass. Hun ser for seg et mye bredere tilbud av solcelle-teknologi i framtida.

– I dag er det ikke klart hva som vil være på husene om 50 år, sier NTNU-forskeren.

Blant andre aktuelle konsepter finnes to ulike måter å utnytte overskuddsenergien til de elektronene som sparkes løs av sollyset.

Overskuddet manifesterer seg som bevegelsesenergi, og går normalt tapt som varme. Såkalte «hot carrier»-celler forsøker å fange inn elektronene mens de har høy bevegelsesenergi. Bevegelsesenergien kan også utnyttes til å rive løs enda et elektron i en kollisjons-prosess, det vil si kollisjons-ionisering («impact ionisation»). En av utfordringene med disse to tilnærmingene er at elektronene mister bevegelsesenergien ekstremt raskt.

Lyskonvertering

Blant de som jobber med å forandre på sollyset heller enn å forandre på selve solcella, finner vi postdoktor Per-Anders Hansen ved Universitetet i Oslo (UiO).

– Det vi utvikler kan brukes oppå glasset på eksisterende solceller, og skal være lett å dytte inn i produksjonslinja, sier han.

Det ekstra laget skal kunne gjøre om uutnyttede deler av sollyset til for eksempel rødt eller nær-infrarødt, som passer silisiumcellene.

– Dersom man kunne gjøre om hele solspekteret til rent 1000 nm-lys, ville dagens celler få en virkningsgrad på 70-80 prosent, men det er ikke mulig, sier Hansen.

Han jobber med materialer som absorberer ultrafiolett (UV) lys, og forsøker å splitte UV-fotoner i to 1000 nm-fotoner. Dette er en såkalt nedkonvertering hvor det mest energetiske lyset brukes til å lage mer enn én strømpartikkel. Ved oppkonvertering kobles energiene til fotonene i det lavenergetiske lyset sammen slik at de også lager strøm.

Plastfolie

Nedkonvertering av UV-lys alene kan potensielt gi en økt effektivitet på 3-4 prosentpoeng, men forskerne har ikke fått splittingen ordentlig til ennå, forklarer Hansen.

– Vi jobber med å finne riktig mekanisme, og det er ganske fundamentalt arbeid, sier han.

Sol-laben på Kjeller: IFE-forskerne Josefine Selj, Halvard Haug og Guro Marie Wyller i solcellelaberatoriet på Kjeller, ett av de sentrale laboratoriene i Norsk forskningssenter for solcelleteknologi.
Sol-laben på Kjeller: IFE-forskerne Josefine Selj, Halvard Haug og Guro Marie Wyller i solcellelaberatoriet på Kjeller, ett av de sentrale laboratoriene i Norsk forskningssenter for solcelleteknologi. Foto: IFE

De fleste på feltet undersøker lantanoider, en type kostbare metaller med unike optiske egenskaper. UiO-forskerne jobber også med luminiserende materialer. Hansen håper ulike typer nanostrukturering av filmer kan gi en løsning. Om det lykkes, vil kostnadsspørsmålet fremdeles gjenstå.

– I dag er det så billig med solceller at det ikke skal koste mye mer enn plastfolie før det blir for dyrt å sette på cella, sier han.

Hansen ser ikke for seg at noe vil slå ut silisium på pris og holdbarhet. Han understreker at alternativer som tynnfilmteknologi og organiske solceller har dårligere levetid.

– Jeg har tro på solceller som er vesentlig mer effektive, og på teknologi som er kompatibel med silisium så det blir mulig å komme forbi den teoretiske grensa, sier Hansen.

Billigere enn kull

Den norske investoren Jens Ulltveit-Moe satser på tandemceller med silisium i bunn. I dag eier han 25 prosent av aksjene i norske REC Silicon og har 30 prosent i svenske SolVoltaics. Sistnevnte er et selskap som kombinerer silisium med gallium-arsenid i en tandemcelle. Investoren tror prisen på silisiumceller vil fortsette å falle.

– De siste kontraktene på solcelleparker i mer solrike strøk er billigere enn kullkraft - for eksempel i De forente arabiske emirater og i Chile. Det er helt revolusjonerende, og vanskelig for andre typer solcelleteknologi å konkurrere med, sier han.

Sjansen for å kunne redusere kostnadene ytterligere er årsaken til at Ulltveit-Moe har satset penger på en teknologi som fremdeles er på forskningsstadiet. Nøkkelen for konseptet er en billigere metode for å påføre gallium-arsenid, nemlig som nanostaver i tynnfilm. Et slikt lag oppå silisiumlaget kan potensielt gi 10 prosentpoeng høyere effektivitet, og dermed en dramatisk reduksjon i kostnaden per kilowatt strøm.

– Vi håper og tror på industriell produksjon innen tre år, men det er selvfølgelig en mulighet for at det blir et slag i luften, sier Ulltveit-Moe.

Kommentarer (8)

Kommentarer (8)