Nye solceller fanger opp tre ganger så mye energi

Fremtidens solceller, som utvikles ved Universitetet i Oslo, skal fange opp tre til fire ganger mer energi enn hva som er mulig i dag. Oppskriften er spesiallagete nanopartikler, oppdeling av lyspartikler og større utnyttelse av lysspekteret.

UTNYTTER LYSET MAKSIMALT: Ved å krydre solcellene med nanokrystaller er det mulig å lage solcellepanel som utnytter sollyset tre til fire ganger bedre enn i dag. Foto: Yngve Vogt

For å redusere verdens enorme CO2-utslipp er det nødvendig å erstatte forbrenningen av fossile ressurser med andre energikilder.

– Vi kan ikke endre retten til energi. Det er som om å ta vann fra folk. Vi trenger derfor alternative energikilder. Vårt bidrag er tre ganger så effektive solceller. Det ville revolusjonert energiforsyningen, forteller professor Helmer Fjellvåg på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved Universitetet i Oslo.

Dagens solceller er laget av silisium og utnytter bare 16 til 18 prosent av sollyset. Den teoretiske grensen er 30 prosent. Noen er nede i ti prosent. Silisiumceller fanger bare opp lys innenfor et lite energiområde. Mesteparten av lyset blir ikke fanget opp.

Noen har prøvd å fange opp mer lys ved å blande inn de meget dyre grunnstoffene gallium og arsenikk. Da klarte de å utnytte så mye som 41 prosent av sollyset. Men denne løsningen vil aldri bli lønnsom.

Nanoteknologi

Nå utvikler norske forskere nye solceller som skal fange opp tre til fire ganger mer energi enn de som selges på markedet i dag. Solcelleforskningen er et samarbeid mellom Universitetet i Oslo, Institutt for Energiteknikk, NTNU og Sintef. De står bak et forskningssenter for miljøvennlig energi (FME) og har fått støtte på over 320 millioner kroner fordelt over åtte år.

De utvikler solceller som skal dekke hele sollysspekteret. For å klare det har de tatt i bruk nanoteknologi.

FANGER LYSPARTIKLER: Professor Bengt Svensson utvikler tre ganger mer effektive solceller på Mikro- og nanolaboratoriet ved Universitetet i Oslo. Her må alle ansatte ha på spesialklær, ettersom flass og andre støvpartikler kan ødelegge produksjonen av nanomaterialer. Foto: Yngve Vogt

– Den teoretiske grensen for løsningen vår er 60 til 80 prosent utnyttelse av sollyset. En realistisk, kommersiell mulighet for løsningen vår blir nok et sted mellom 50 og 60 prosent. Det betyr en tredobling av effekten i forhold til dagens løsning. Vi håper å få Nobelprisen i fysikk for den mest fremtidsrettede ideen, forteller professor Bengt Svensson på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han leder forskergruppen ved Universitetet i Oslo. Med seg har han 55 forskere, deriblant femten stipendiater og ti postdoktorer.

Forskningen deres skjer på Mikro- og nanolaboratoriet (MiNaLab), som brukes både av Universitetet i Oslo og av Sintef.

Verdensledende

En av utfordringene deres er å få tak i så mye av sollyset som mulig. Sollys består av lys med forskjellige bølgelengder. Hver av dem skaper ulike farger. Hver av disse fargene kan kalles for et spekter. En solcelle kan bare fange inn ett spekter, altså bare en del av sollyset.

For å dekke hele sollysspekteret skal de utvikle helt nye solceller og sette dem sammen. Alle disse solcellene skal lages som tynnfilm. Tynnfilm er svært tynne materialer. Universitetet i Oslo er blant de ledende i verden på tynnfilmforskning.

– Vi trenger et sted mellom to og fire ulike tynnfilmer for å dekke mesteparten av lysspekteret. Tynnfilmene blir lagt oppå hverandre. Hvis en lyspartikkel ikke blir fanget opp av det øverste laget, fortsetter lyspartikkelen til det neste laget.

Utnytter elektronhull

Alle solceller lages av noe som kalles halvledermaterialer. Halvledere har helt spesielle elektriske egenskaper.

For å kunne studere de elektriske egenskapene må fysikerne se på båndgapet. Båndgapet sier noe om hvor mye energi som må til for å
sende elektroner til noe som kalles ledningsområdet. Hvis det ikke finnes noen båndgap, leder materialet strøm. Er båndgapet stort, leder ikke materialet strøm i det hele tatt. Halvledere er materialer med et så stort båndgap at de bare delvis leder strøm. Ved å bruke nanoteknologi kan forskerne designe materialer med et helt bestemt båndgap.

Når fotoner, populært kalt for lyspartikler, treffer solcellen, blir solcellen tilført energi. Denne energien kan få et elektron til å bevege seg gjennom båndgapet fra sitt stabile felt til noe som kalles ledningsområdet.

Samtidig som elektronet har blitt presset opp til ledningsområdet, etterlater det seg et elektronhull. Både elektronet og elektronhullet kan lede strøm. En av de store utfordringene er å få huket tak i denne energien før elektronet faller tilbake i elektronhullet. Det tar vanligvis bare noen få nano- eller mikrosekunder. Det er kort tid.

Forskergruppen ved Universitetet i Oslo utvikler nå materialer av så god kvalitet at levetiden på elektronene og elektronhullene blir ett tusendels sekund. Selv om et tusendels sekund kanskje ikke høres så mye ut, har de likevel opp til én million ganger lengre tid til å lede strømmen ut av solcellen.

NOBELPRISIDÉ: – Vi håper å få Nobelprisen for den mest fremtidsrettede ideen, sier professor Bengt Svensson . Forskergruppen hans utvikler nå spesielle nanopartikler som skal doble utnyttelsen av lyspartikler. Foto: Yngve Vogt

Deler lyspartikler i to

Forskerne skal også krydre solcelletynnfilmene med nanokrystaller. Poenget med nanokrystallene er å få inn mer av sollyset. Og som om dette ikke er nok: Nanokrystallene skal også sørge for å utnytte lyspartiklene enda bedre.

I dag skaper som sagt hvert foton et elektronpar, det vil si et elektron og et elektronhull. Forskerne skal nå doble denne effekten. Det er nettopp dette som er den store fremtidsrettede Nobelprisideen til forskningsgruppen.

Populært fortalt skal hvert foton dele seg i to fotoner, slik at det skapes to elektronpar.

Forklaringen høres enkel ut: Når et foton treffer solcellen, dannes det så mye energi at elektronet ikke bare havner i ledningsbåndet. Elektronet havner faktisk i et enda høyere energinivå.

– Hvis man tar høyde for dette, kan vi bruke den ekstra energien til å presse ut enda et elektron. Det betyr at hvert foton kan føre til to elektronpar og ikke bare ett. Utfordringen vår er å kontrollere materialet slik at vi kan få ut denne energien.

I dag blir ikke denne ekstra energien brukt til noen ting. Men i naturens verden er det slik at all energi må havne et sted. Ubrukt energi omdannes til varme. Denne varmen er ikke bra. Det kan slite på materialet.

Så forskerne slår to fluer i ett smekk: De henter ikke bare ut mer energi, de sørger også for at materialet lever lenger.

Billig

Selv om Bengt Svensson skal ta i bruk svært avansert teknologi, påpeker han at de nye solcellene blir billige å produsere.

– Løsningen vår blir faktisk billigere enn dagens solceller. Silisium blir fortsatt hovedbestanddelen. Silisium er det vanligste grunnstoffet i verden. Det skader heller ikke at Norge er verdens største produsent av silisium, med REC, Elkem og Hydro som de største aktørene.

En av de store utfordringene blir å beregne størrelsen på nanopartiklene. Det er svært viktig. Nanopartikler har ulike egenskaper avhengig av størrelsen.

– Størrelsen og sammensetningen av nanopartikler er viktig for å hente ut lyspartikler fra hver eneste del av lysspekteret.

For å få de nøyaktige elektriske og optiske egenskapene til nanopartiklene, tyr forskerne til tunge datasimuleringer.

– Vi klarer nå å beregne størrelsen på dem og hvordan de skal forbli stabile. Partiklene blir bare et sted mellom fem og femti nanometer tykke, avhengig av hvilket lysspekter de skal fungere på.

Forlenger levetiden

De forsker også på hvordan man kan lage gode overganger mellom nanopartiklene og tynnfilmene. I alle overganger er det elektrisk spenning.

– Da kan det dannes defekter i grenseområdet. Det kan ødelegge dannelsen av elektronpar. Det er uheldig. For å passivisere denne tilstanden skal vi bruke hydrogen i tynnfilmen. Det vil øke levetiden til elektronene og elektronhullene. Det er nettopp dette som industrien er mest opptatt av i dag, forteller Bengt Svensson, som har forsket på halvledere i 30 år.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 11:44
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere