Forskere utvikler n? fremtidens milj?vennlige solceller, som skal fange opp dobbelt s? mye energi som i dag. Trikset er ? kombinere to ulike typer solceller for ? kunne utnytte en langt st?rre del av sollyset.
– Dette skal bli verdens mest effektive og milj?vennlige solceller. Det finnes riktignok solceller i dag som er like effektive, men de er b?de dyre og giftige. Materialene til solcellene v?re skal dessuten v?re lett tilgjengelige og finnes mye av p? Jorda. Det er et viktig poeng, forteller professor Bengt Svensson p? Fysisk institutt ved UiO.
Svensson er en av landets fremste forskere p? solenergi og har i ?revis ledet sv?re forskningsprosjekter i Mikro- og nanolaboratoriet (MiNa-laben), som eies i fellesskap av UiO og Sintef. Med nanoteknologi kan atomer og molekyler settes sammen til nye materialer med helt spesielle egenskaper.
Fysikeren tar n? i bruk det aller ypperste innen nanoteknologi og skal utvikle de nye solcellene gjennom det europeiske forskningsprosjektet Solhet, som er et 澳门葡京手机版app下载 mellom UiO, Institutt for energiteknikk (IFE) p? Kjeller og det polytekniske universitetet i Bucure?ti, samt to andre rumenske institusjoner.
Moderne solceller
M?let deres er ? utnytte enda mer av lysspekteret i sollyset enn det som er mulig i dag. 99 prosent av dagens solceller er laget av silisium, som er et av de aller vanligste grunnstoffene p? Jorda. Uheldigvis utnytter silisiumcellene bare 20 prosent av sollyset. Verdensrekorden er 25 prosent, men disse solcellene er krydret med farlige og sjeldne stoffer. Den teoretiske grensen er 30 prosent. Forklaringen p? denne begrensningen er at silisiumceller f?rst og fremst fanger opp lysb?lgene fra det r?de lysspekteret. Det betyr at mesteparten av lysb?lgene forblir ubenyttet.
De nye solcellene skal best? av to energihentende lag. Det f?rste laget skal fortsatt v?re lagd av silisiumceller.
– Den r?de b?lgelengden i sollyset danner str?m i silisiumcellen p? en ganske effektiv m?te. Vi har jobbet mye med silisium, s? der er det ikke mer ? hente.
Det nye trikset er ? legge et lag opp? silisiumcellene. Dette laget lages av kobberoksid og skal fange opp lysb?lgene fra det bl? lysspekteret.
– Vi har klart ? lage kobberoksid som henter ut tre prosent av energien fra sollyset. Verdensrekorden er ni prosent. Vi jobber n? intenst for ? ?ke andelen til tjue prosent. Kombinasjonen silisiumceller i det ene laget og kobberoksidceller i det andre gj?r at vi kan absorbere langt mer lys og dermed minske energitapet. Med denne kombinasjonen kan vi utnytte 35 til 40 prosent av sollyset, poengterer Bengt Svensson.
Solcellepanelet skal ogs? best? av andre lag. P? undersiden legges det p? et beskyttende glasslag og et metallag som leder str?mmen ut av solcellen. Fremsiden skal best? av et antirefleksjonsbelegg, slik at lysstr?lene fanges opp og ikke reflekteres tilbake.
Solcellepanelet blir sv?rt tynt. Tykkelsen p? de enkelte lagene varierer mellom hundre og tusen nanometer. Tusen nanometer er en mikrometer. Et h?rstr? er ti ganger tykkere. Ett av de store sjakk-trekkene er ? lage et spesiallag som blir s? tynt som en til to nanometer. Det kommer Apollon tilbake til, men f?rst noen teoretiske forklaringer:
Fanger elektroner
Alle solcellematerialer lages av halvledende stoffer. Halvledere har helt spesielle elektriske egenskaper. De elektriske egenskapene styres av b?ndgapet.
B?ndgapet sier noe om hvor mye energi som m? til for ? f? tak i elektroner.
Materialer uten b?ndgap leder str?m. Materialer med stort b?ndgap leder ikke str?m. Halvledere er materialer med et b?ndgap midt imellom. Da leder de bare delvis str?m.
Nanoteknologien brukes til ? designe materialer med et helt bestemt b?ndgap.
N?r fotonene, alts? lyspartiklene fra solen, treffer solcellen, tilf?res energi til solcellen. Denne energien dytter et elektron gjennom b?ndgapet og inn i det som kalles for ledningsomr?det. Da kan elektronene plukkes opp og tas ut som energi.
Elektronene etterlater seg elektronhull. B?de elektronet og elektronhullet kan lede str?m.
– Utfordringen er ? lage kobberoksid med et akkurat s? stort b?ndgap at man rekker ? fange elektronene f?r de detter tilbake igjen i elektronhullene. Dette har vi jobbet med i noen ?r, og vi begynner n? ? skj?nne hvordan dette lar seg gj?re.
Tiden er knapp. Det er likevel et lyspunkt: Hvis elektronene er borte fra elektronhullene i mer enn et tusendels sekund, er det mulig ? fange dem.
Kaos mellom lagene
Et av de ul?ste problemene i de nye solcellene er grenseomr?dene mellom de ulike lagene.
– N?r lagene legges opp? hverandre, dannes det kjemiske reaksjoner som reduserer effekten av, eller i verste fall – ?delegger solcellene.
Det ene problemet er grenseflaten mellom solcellelaget som fanger opp energi fra det bl? lyset, og det ytterste laget, sinkoksid som b?de beskytter og leder str?mmen ut fra solcellen.
Uheldigvis d?r elektronene ved grenseflaten.
Den st?rste utfordringen er grenseflaten mellom silisiumlaget – som henter energi fra det r?de lyset – og kobberoksidlaget, som henter energi fra det bl? lyset.
De to solcellelagene fungerer bra hver for seg. Og det er her Apollon kommer til poenget.
Problemet oppst?r n?r lagene legges sammen. Da skjer det uheldige, kjemiske endringer.
– De kjemiske endringene kan endre b?ndgapet.
N?r b?ndgapet blir feil, fylles elektronhullene igjen f?r man rekker ? f? tak i elektronene.
En av mulighetene er ? legge inn noen andre stoffer mellom lagene, slik at de kjemiske endringene minimeres.
Det finnes flere m?ter ? lage dette bufferlaget p?.
– Vi ?nsker ? bruke et hydrogenrikt materiale. Det kan passifisere de kjemiske endringene og ?ke levetiden til elektronene og elektronhullene.
En annen mulighet er ? krydre bufferen med galliumoksid, men dette stoffet er ikke akkurat milj?vennlig. Rent gallium er giftig.
Ved ? lage bufferen s? tynn som bare én til to nanometer, minimaliseres den kjemiske effekten.
– Jo tykkere mellomlaget blir, desto flere elektroner blir stoppet p? veien. Det ?delegger den elektriske evnen. Hvis elektronene stopper opp i bufferlaget, fungerer ikke solcellene lenger.
Fra teori til praksis
De teoretiske beregningene av hvordan bufferlaget b?r se ut, skjer p? Det polytekniske universitetet i Bucure?ti.
– De er meget gode p? teoretiske modelleringer, forteller Bengt Svensson.
Professor Laurentiu Fara p? Det polytekniske universitetet i Bucure?ti forteller til Apollon at de blant annet har beregnet og simulert den optimale tykkelsen p? solcellelagene, hvordan lagene best mulig kan legges sammen og hvordan det teoretisk sett er mulig ? hente ut mest mulig str?m.
– Vi har store forventninger til at solcellene kan bli p?litelige og l?nnsomme, men vi er meget klar over at det fortsatt gjenst?r mye hardt arbeid, p?peker Laurentiu Fara.
UiO tar seg av eksperimentene. IFE skal lage prototypen for hvordan det er mulig ? produsere solcellene i store volumer. IFE er dessuten hovedkoordinator for hele forskningsprosjektet.
– Vi har allerede i mange ?r, i 澳门葡京手机版app下载 med norsk solcelleindustri, jobbet med silisiumbasert solcelleteknologi. Vi skal n? se p? hvordan de to solcellelagene kan tilpasses hverandre for ? f? mest mulig effekt ut av hele solcellen og hvordan de to cellene p?virker hverandre b?de optisk og elektrisk, forteller Sean Erik Foss p? IFE.
Han forteller at veldig mange forskere og teknologiselskaper n? jobber med den nye typen solceller med silisium i bunn og med et lag ?mer eksotiske materialer? p? toppen.
Det rumenske solcelleselskapet Wattrom skal vise at det er mulig ? produsere de nye solcellene.
– Teknikken er billig, og den kan lett skaleres opp i store volum. Og det er ikke dyrere ? lage solceller av kobberoksid enn silisium, sier Bengt Svensson.
Han mener solcellene vil bli sv?rt l?nnsomme ? produsere fordi utnyttelsen av lysspekteret blir h?y.
– Selv en tiendedels prosent ?kning av effektiviteten gir stor ?konomisk gevinst for solcelle- industrien. Her er det snakk om en dramatisk ?kning av effektiviteten.
Solcellene skal dessuten fungere bra selv i de omr?dene p? kloden der Sola st?r lavt, slik som i Skandinavia.
Han sier at effektive solceller kan endre hele m?ten ? tenke energi p? i fremtiden.
– Vi har en enorm ressurs i Sola. Hvis vi kunne ha utnyttet sollyset hundre prosent, ville én time av sollyset kunnet dekke hele det ?rlige energibehovet p? Jorda. Potensialet er derfor enormt. I prinsippet er det mulig ? dekke hele verdens energibehov med sollys. Solenergien er faktisk den fornybare energikilden som har aller st?rst potensial. Det er dette vi vil utnytte, forteller Bengt Svensson.