Lurer sollyset med mikrosmå kuler

Om fem til sju år er solcellene blitt mye billigere – og bare en tjuendedel så tjukke som dagens solceller. Trikset er å lure  sollyset med  mikrokuler. 

MAGI: Professor Aasmund Sudbø og forskningsleder Erik Marstein har brukt alle mulige, vidunderlige knep med lys for å redusere tykkelsen på solcellene med 95 prosent. Foto: Yngve Vogt

Nanoforskere utvikler nå neste generasjons solceller, som skal bli tjue ganger tynnere enn dagens solceller.

Over 90 prosent av dagens strøm fra solcelle-panel er laget av 200 mikrometer tykke silisiumplater. Det lages flere milliarder hvert år. Problemet er det store forbruket av silisium, hele fem gram silisium per watt.

200 Altakraftverk

I år produseres det, på verdensbasis, mellom fem og ti milliarder solcelleenheter. Det tilsvarer 30 GW, eller kapasiteten til 200 Altakraftverk.

Selv om silisium er et av de vanligste grunnstoff-ene på Jorda, fins det ikke rent silisium i naturen. Silisium binder seg lett til andre grunnstoffer. 

For at solceller skal fungere, må silisiumplaten bestå av minst 99,9999 prosent silisium. Du leste riktig. Hvis solcellen består av mer enn én milliontedel andre stoffer, fungerer den ikke.

I dag lages rent silisium i 2000 grader varme smelteovner. Det krever mye energi. Fabrikkene leverer silisium i vedkubbestore blokker. Deretter blir de sagd opp i solcelletynne skiver. Bare halvparten blir til solceller. Resten blir sagspon.

– Det går med mer enn 100 000 tonn silisium hvert år. Men det er åpenbart noe fundamentalt galt når halvparten av silisiumet må kastes under produksjonen, konstaterer Erik Marstein, som både er leder for det norske forskningssenteret i solcelleteknologi, forskningsleder for solcelleavdelingen ved Institutt for energiteknikk (IFE) på Kjeller utenfor Oslo og førsteamanuensis på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo (UiO).

Solcelleprisene faller stadig. I dag koster det en halv euro per watt for et solcellepanel. For bare fire år siden kostet det to euro per watt.


– Det er vanskelig å tjene penger på å fremstille solceller med dagens priser. For å klare det, må solcellene lages mye billigere.

Supertynne solceller i 2020

Sammen med professor Aasmund Sudbø på Fysisk institutt står Erik Marstein nå i spissen for å utvikle neste generasjons solceller. De kan komme på markedet om fem til sju år.

– Den åpenbare veien videre er å lage skikkelig tynne solcelleskiver, uten å øke kostnadene.


For alle typer solceller gjelder regelen: Jo flere elektroner sollyset dytter ut, desto mer strøm. Og jo mer energi i elektronene, desto mer spenning.

– Jo tynnere solcellene blir, desto lettere er det å få ut elektrisiteten. I prinsippet blir det derfor mer spenning og mer strøm med tynne solceller. Vi utvikler nå solceller som er minst like gode som dagens, men som kan lages med bare en tjuendedel så mye silisium. Det betyr at silisiumforbruket kan reduseres med 95 prosent, påpeker Erik Marstein.

Men det er et stort men! Jo tynnere plater, desto mindre av sollyset blir fanget opp. Dette har med lysets bølgelengder å gjøre. Blått lys har mye kortere bølgelengder enn rødt lys. Blått lys kan fanges opp med plater som bare er noen få mikrometer tynne. For å fange opp det røde lyset, må silisiumplaten være nesten en millimeter tjukk. For infrarødt lys må platen være enda tjukkere.

Når solcelleplaten skal være så tynn som 20 mikrometer, vil derfor altfor mye av lyset gå tvers igjennom.

Tykkelsen på dagens solceller dobles med et speil. Ved å reflektere lyset, dobles lysets reise gjennom platen.

En 20 mikrometer tynn solcelle med speil blir i teorien 40 mikrometer tykk. Det er likevel ikke nok. Dessuten er dagens speil langt fra perfekte. De reflekterer bare 70 til 80 prosent av lyset.

Magien

– Det er her magien vår kommer inn. Vi prøver alle mulige, vidunderlige knep med lys. Trikset vårt er å lure sollyset til å bli lenger i solcellen. Da blir den lengden som sollyset beveger seg i inne i solcellen, mye lengre, forteller Erik Marstein. Dette kalles for lyshøsting.

Forskergruppen hans lager nå et baksidestykke, pepret med periodiske strukturer, for eksakt å kunne bestemme hvor lyset skal gå. De har klart å tvinge lyset til å bevege seg sidelengs.

– Vi kan øke den tilsynelatende tykkelsen 25 ganger ved å tvinge lyset opp og ned hele tiden. Vi har beregnet hvordan et slikt baksidestykke skal se ut og studerer nå hvilke ulike strukturer som fungerer.

En av mulighetene er å dekke hele baksiden med Ugelstad-kuler, en av de største norske oppfinnelsene i forrige århundre. Ugelstad-kuler er mikrosmå plastkuler. Alle kulene er nøyaktig like store.

– Vi kan tvinge Ugelstad-kulene til å legge seg tett sammen på silisiumoverflaten, i et nesten perfekt, periodisk mønster.

Laboratorieforsøk har vist at kulene kan brukes som maske. Stipendiat Jostein Thorstensen viser at laser er velegnet til å etse groper rundt kulene.

– Vi undersøker nå om denne og andre metoder kan skaleres til storskalaproduksjon i industrien. Vi har klokkertro på dette og diskuterer for tiden med flere industrielle partnere, men vi kan ennå ikke nevne hvem.

Asymmetrisk triks

For å fange opp enda mer av lyset i solcellen, har Jo Gjessing tatt doktorgraden på hvordan man kan lage asymmetriske mikrogroper på baksiden av silisiumskiven.

– Sylindre, kjegler og halvkuler er symmetriske former. Vi har foreslått flere strukturer som bryter opp symmetriene. Beregningene våre viser at vi med asymmetriske mikrogroper kan fange opp enda mer av sollyset, sier veilederen Erik Marstein.

I praksis betyr det at 20 mikrometer tynne solceller med symmetriske mikrogroper er like effektive som 16 mikrometer tynne plater med asymmetriske groper. Det betyr at silisiumforbruket kan reduseres med ytterligere 20 prosent.

– Hovedpoenget vårt er å kunne få ut samme mengde strøm fra tynnere celler. Vi vil være svært fornøyde også om de nye solcellene våre blir 30 mikrometer tykke, poengterer professor Aasmund Sudbø.

De nye solcellene kan lages på flere måter, slik som å kløyve tynne silisiumfolier eller gro tynne silisiumfilmer. Og ekstrabonusen? Silisiumsvinnet blir minimalt.
 

Av Yngve Vogt
Publisert 29. jan. 2013 07:22 - Sist endret 29. jan. 2013 10:04
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

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