25-06-2018 10:01:59

Nyt materiale skal gøre solceller mere effektive og bæredygtige

Forskere på DTU har forbedret solcellematerialet CZTS, der skal gøre solceller mere effektive. Materialet er dog stadig under udvikling, men det kan i fremtiden hjælpe Danmark med en mere bæredygtig elforsyning.
12. apr. 2017 Af Katja Isabel Romme Simonsen
<p>Forskere på DTU har forsket i et materiale, som skal gøre solceller mere effektive og bæredygtige.</p>

Forskere på DTU har forsket i et materiale, som skal gøre solceller mere effektive og bæredygtige.

Der findes i dag flere forskellige slags solcellematerialer på markedet. Det mest anvendte solcellemateriale er silicium, og det bruges i 90 % af de solceller, der er på markedet. De to andre solcellematerialer, som er mest almindelig er CIGS og CdTe. Det er de såkaldte tyndfilmssolceller, der benyttes som bygningsintegrerede solceller, da de er nemmere at bygge uden på tagsten og andre buede konstruktionselementer end siliciumsolcellerne.

CIGS og CdTe-solcelle er effektive, men de indeholder meget sjældne eller giftige materialer. Det betyder, at solcelleproducenterne er afhængige af bestemte lande, samt at prisen på materialerne ikke pludselig skyder i vejret.

Solceller er bæredygtige set i forhold til den forurening, der kommer fra fossile brændsler, men solcellerne kan blive endnu mere bæredygtige, og derfor begyndte forskere på DTU at udforske området.

”Der er der blevet forsket i at finde det alternative solcellemateriale CZTS – kobber zink tinsulfid siden 2007 rundt omkring i verden, og det tog fart omkring 2010. På DTU kom vi med på vognen fra 2013. Vi startede helt fra nul og har prøvet forskellige metoder af, og i dag har vi gode erfaringer og kan bidrage med ny viden om materialet,” siger Rebecca Bolt Ettlinger, der har været med til at udvikle materialet, og fornyligt har afsluttet sin Ph.d. om CZTS og relaterede materialer.

Da Rebecca Bolt Ettlinger påbegyndte sin Ph.d. i udviklingen af et nyt materiale, var tanken, at det skulle påsættes tagsten, som solcellematerialerne CIGS og CdTe. I mellemtiden styrtdykkede priserne på siliciumsolceller, og det gav derfor ingen mening af udvikle et nyt billigt materiale, som skulle konkurrere mod dem. Forskerne måtte derfor udtænke nye anvendelsesmuligheder.

I dag er der en helt anden grund til, at de stadig forsker i materialet. Forskerne indså, at man teoretisk set kunne øge effektiviteten af de eksisterende siliciumsolceller ved at lægge et CZTS-lag ovenpå. Det er dog ikke helt uden problemer, og det kræver mere forskning i materialet.

”Det største problem med CZTS er, at den maksimale effektivitet af materialet kun er lidt over 9 %, hvorimod de bedste solcellematerialer har effektivitet på 22-25 %. Mange i feltet tror dog, at de eksisterende siliciumsolcellerne kan blive endnu bedre ved at lægge et andet materialelag ovenpå, som kan fange en anden del af solen end siliciumsolcellerne, så man kan udnytte mere af solens lys,” siger Rebecca Bolt Ettlinger.

Siliciums båndgab, der er målet for, hvor megen energi en elektron skal have tilført for at bringe den i en ledende tilstand, er 1,2 elektronvolt. Det vil sige, at når lys med en energi over 1,2 elektronvolt rammer solcellen, er det kun de 1,2 elektronvolt, der bidrager til at skabe spænding. Hvis man lægge et materiale ovenpå med et højere båndgab (ideelt på 1,7 elektronvolt) kan man skabe en tandemsolcelle, som kan resultere i en samlet højere spænding. Det betyder, at man bedre kan udnytte de fotoner i sollyset, som har høj energi – altså de korte bølgelængder.

CZTS har et båndgab på cirka 1,5 elektronvolt, men ved at blande små mængder af andre stoffer i, kan man justere det opad. Samtidig skal effektiviteten af CZTS-solcellerne højt nok op til, at de ikke bare skygger for den underliggende siliciumsolcelle.

Sammensætning af materialer og lag i solcellen

En af de metoder, Rebecca Bolt Ettlinger og forskerne har brugt for at konstruere CZTS, er pulseret laser-deponering. Gennem metoden er det muligt at opbygge selve solcellen i meget tynde lag, hvor hvert lag er under kontrol.

”Det besværlige ved at lave CZTS-materialet er, at der er fire forskellige elementer, som skal sidde helt præcist, før det fungerer. Med siliciumsolceller er det kun et element samt lidt urenheder, hvilket gør det lettere at danne den rigtige krystalstruktur. Siliciumatomerne kan ikke sidde forkert, men det kan de i stedet i CZTS. Teoretisk ser materialet fantastisk ud, men i praksis så opdager man, at det ikke er så stabilt og nemt at få den fine krystalstuktur, man gerne vil have,” siger Rebecca Bolt Ettlinger.

Det er især problemet med de forskellige strukturer, som elementerne danner, der gør det besværligt. Især indholdet af svovl og tinsulfid er et problem, da de fordamper meget let.

”Vi har haft rigtig meget hyr med justering af mængderne, hvilket vi har arbejdet med i tre år. Det er dog til sidst lykkes os at få nogle gode solceller gennem vores grundmetode,” siger Rebecca Bolt Ettlinger.

Pulseret-laser deponering metoden er blevet brugt til at lave et mikrometer tykt lag af CZTS, hvorefter det er blevet bagt med mere svovl, fordi svovlen gik tabt på normalvis.

”Vi fandt frem til denne fremgangsmåde sammen med en gruppe forskere fra Australien og fik 5 % mere effektivitet,” forklarer Rebecca Bolt Ettlinger.

Det handlede for forskerne ikke kun om, hvordan materialet skulle laves, men også hvordan man fik CZTS- laget til at passe til andre lag, så solcellen rent faktisk generede strøm.

Lagene i en solcelle består af et n-doteret og et p-dorteret lag. Når man skaber frie elektroner i n- eller p-laget, så bevæger de sig og så produceres der strøm grundet den asymmetri, der er ved samlingen mellem n- og p-laget. I CZTS, som er naturligt p-doteret, bliver lyset absorberet, og der bliver skabt frie ladningsbærer altså elektroner, som derefter bevæger sig over i n-laget. N-laget er dog et andet materiale, og det kræver også en elektrode i form af et metalbundlag samt en gennemsigtig elektrode i toppen af solcellen, før man har en færdig solcelle, som kan skabe strøm, når den bliver belyst.

Dette stiller store krav til forskerne, og hvis der skal laves tandemsolceller altså en kombination af siliciumsolceller og CZTS-solceller, så kræver det, at lagene passer sammen. Forskerne er endnu i gang med at eksperimentere med de forskellige sammensætninger af lag og materialer.

”CZTS er først rigtigt brugbart 10 år ude i fremtiden, da det kræver mere forskning at gøre det effektivt nok, især hvis det skal lægges oven på siliciumsolcellerne,” mener Rebecca Bolt Ettlinger.

Kan solceller dække Danmarks elektricitetsbehov?

Der er sket meget andet end materialeforskning inden for solcelleområdet de seneste år. Prisen på solcellerne er styrtdykket, og de er blevet mere effektive end hidtil.

”Man er i gang med at integrere solceller, så de bliver en del af det oprindelige design af nye bygninger, hvilket de ikke hidtil har været. Man leger også med at farve solceller eller gøre dem delvis gennemsigtige, så de kan sættes på vinduer eller som solafskærmning,” forklarer Rebecca Bolt Ettlinger og fortsætter.

”I dag kan man opføre gigantiske solcelleparker, som kan konkurrere mod fossile brændsler, fordi de er blevet så billige af opføre. Når man laver så store arealer med solceller, så skal de være så effektive som muligt, da prisen på at installere og rengøre dem stiger med arealet. Det gælder derfor om, at de bliver mest effektive pr. areal.”

Hvor solcellerne skal placeres i fremtiden, kommer ifølge Rebecca Bolt Ettlinger an på, hvor billig jorden kan købes, samt hvor meget sollys der kommer. Det er især der, hvor man har rigeligt plads og rigeligt sol, som vi allerede ser i dag i Sydspanien, det sydvestlige USA, Marokko og Mellemøsten. Andre muligheder er dog ikke udelukket.

”Man eksperimenterer i øjeblikket med, hvor man kan placere solceller, som fx flydende solceller. Der er helt klare fordele ved at placere dem på vandet, da vandet skaber refleksion af lyset. Det er måske noget, vi kommer til at se mere af i fremtiden,” spår hun.

Det er dog ikke kun placeringsmulighederne, der har en betydning for solcellerne plads i fremtiden.

”Vi kan sagtens dække hele Danmarks elektricitetsbehov ved brug af solceller. Hvis man kigger på, hvor meget energi, der falder på jorden fra solen, så er det en meget lille del af den energi, som vi har behov for til at dække vores elektricitetsforbrug. Problemet er bare, at solen i Danmark ikke skinner hele tiden, og derfor mangler vi lagringsmuligheder og et elnet, der er mere integreret med andre dele af EU,” forklarer Rebecca Bolt Ettlinger og fortsætter.

”Hvis vi først gør solcellerne så effektive, at priserne blive mere spiselige, samtidig med at vi tilpasser vores el-net og finder andre backups for solcellerne som vind- og vandkraft, så tror jeg på, at vi i fremtiden sagtens kan skabe en bæredygtig og effektiv energiforsyning”.

Frankrig vil dække 1000 kilometer vej med solceller
Frankrig vil dække 1000 kilometer vej med solceller

Solceller: Mulighederne med solceller bliver skubbet dag for dag. Over de næste fem år vil Frankrig anlægge 1000 kilometer vej belagt med solceller.

Læs mere
MIT: Solcelle så let at den kan ligge på en sæbeboble
MIT: Solcelle så let at den kan ligge på en sæbeboble

MIT-forskere har udviklet en mikroskopisk og let solcelle med et stort potentiale i forhold til fx internet of things eller vingerne på et fly

Læs mere
Glem solpaneler: Elon Musk arbejder på at lave et solcelle-tag
Glem solpaneler: Elon Musk arbejder på at lave et solcelle-tag

Solceller: Elon Musk arbejder på at give ordet soltag en helt ny betydning. SolarCitys ingeniører er på vej med tagplader med indbyggede solceller.

Læs mere
Ny elektronik lapper huller i markedet for solcellelamper
Ny elektronik lapper huller i markedet for solcellelamper

Viden om effektiv konvertering af solenergi kombineret med stor indsigt i solceller har skabt ny effektiv elektronik til brug i solcellelamper. Elektronikken er udviklet på DTU, og belysningsvirks ...

Læs mere

Deltag i debatten

Nyheder og arrangementer

Nyeste energi- og miljøjob

luk
close