Nanoforskere utvikler n? neste generasjons solceller, som skal bli tjue ganger tynnere enn dagens solceller.
Over 90 prosent av dagens str?m fra solcelle-panel er laget av 200 mikrometer tykke silisiumplater. Det lages flere milliarder hvert ?r. Problemet er det store forbruket av silisium, hele fem gram silisium per watt.
200 Altakraftverk
I ?r produseres det, p? 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 p? Jorda, fins det ikke rent silisium i naturen. Silisium binder seg lett til andre grunnstoffer.
For at solceller skal fungere, m? silisiumplaten best? av minst 99,9999 prosent silisium. Du leste riktig. Hvis solcellen best?r 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 g?r med mer enn 100 000 tonn silisium hvert ?r. Men det er ?penbart noe fundamentalt galt n?r halvparten av silisiumet m? kastes under produksjonen, konstaterer Erik Marstein, som b?de er leder for det norske forskningssenteret i solcelleteknologi, forskningsleder for solcelleavdelingen ved Institutt for energiteknikk (IFE) p? Kjeller utenfor Oslo og f?rsteamanuensis p? 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 ?r siden kostet det to euro per watt.
– Det er vanskelig ? tjene penger p? ? fremstille solceller med dagens priser. For ? klare det, m? solcellene lages mye billigere.
Supertynne solceller i 2020
Sammen med professor Aasmund Sudb? p? Fysisk institutt st?r Erik Marstein n? i spissen for ? utvikle neste generasjons solceller. De kan komme p? markedet om fem til sju ?r.
– Den ?penbare veien videre er ? lage skikkelig tynne solcelleskiver, uten ? ?ke kostnadene.
For alle typer solceller gjelder regelen: Jo flere elektroner sollyset dytter ut, desto mer str?m. Og jo mer energi i elektronene, desto mer spenning.
– Jo tynnere solcellene blir, desto lettere er det ? f? ut elektrisiteten. I prinsippet blir det derfor mer spenning og mer str?m med tynne solceller. Vi utvikler n? solceller som er minst like gode som dagens, men som kan lages med bare en tjuendedel s? mye silisium. Det betyr at silisiumforbruket kan reduseres med 95 prosent, p?peker Erik Marstein.
Men det er et stort men! Jo tynnere plater, desto mindre av sollyset blir fanget opp. Dette har med lysets b?lgelengder ? gj?re. Bl?tt lys har mye kortere b?lgelengder enn r?dt lys. Bl?tt lys kan fanges opp med plater som bare er noen f? mikrometer tynne. For ? fange opp det r?de lyset, m? silisiumplaten v?re nesten en millimeter tjukk. For infrar?dt lys m? platen v?re enda tjukkere.
N?r solcelleplaten skal v?re s? tynn som 20 mikrometer, vil derfor altfor mye av lyset g? tvers igjennom.
Tykkelsen p? dagens solceller dobles med et speil. Ved ? 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 v?r kommer inn. Vi pr?ver alle mulige, vidunderlige knep med lys. Trikset v?rt er ? lure sollyset til ? bli lenger i solcellen. Da blir den lengden som sollyset beveger seg i inne i solcellen, mye lengre, forteller Erik Marstein. Dette kalles for lysh?sting.
Forskergruppen hans lager n? et baksidestykke, pepret med periodiske strukturer, for eksakt ? kunne bestemme hvor lyset skal g?. De har klart ? tvinge lyset til ? bevege seg sidelengs.
– Vi kan ?ke den tilsynelatende tykkelsen 25 ganger ved ? tvinge lyset opp og ned hele tiden. Vi har beregnet hvordan et slikt baksidestykke skal se ut og studerer n? hvilke ulike strukturer som fungerer.
En av mulighetene er ? dekke hele baksiden med Ugelstad-kuler, en av de st?rste norske oppfinnelsene i forrige ?rhundre. Ugelstad-kuler er mikrosm? plastkuler. Alle kulene er n?yaktig like store.
– Vi kan tvinge Ugelstad-kulene til ? legge seg tett sammen p? silisiumoverflaten, i et nesten perfekt, periodisk m?nster.
Laboratoriefors?k har vist at kulene kan brukes som maske. Stipendiat Jostein Thorstensen viser at laser er velegnet til ? etse groper rundt kulene.
– Vi unders?ker n? om denne og andre metoder kan skaleres til storskalaproduksjon i industrien. Vi har klokkertro p? dette og diskuterer for tiden med flere industrielle partnere, men vi kan enn? ikke nevne hvem.
Asymmetrisk triks
For ? fange opp enda mer av lyset i solcellen, har Jo Gjessing tatt doktorgraden p? hvordan man kan lage asymmetriske mikrogroper p? baksiden av silisiumskiven.
– Sylindre, kjegler og halvkuler er symmetriske former. Vi har foresl?tt flere strukturer som bryter opp symmetriene. Beregningene v?re 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 v?rt er ? kunne f? ut samme mengde str?m fra tynnere celler. Vi vil v?re sv?rt forn?yde ogs? om de nye solcellene v?re blir 30 mikrometer tykke, poengterer professor Aasmund Sudb?.
De nye solcellene kan lages p? flere m?ter, slik som ? kl?yve tynne silisiumfolier eller gro tynne silisiumfilmer. Og ekstrabonusen? Silisiumsvinnet blir minimalt.