Mer strøm fra sola

Bildet: Ole Martin Løvvik,seniorforsker ved SINTEF Materialer og kjemi og professor II ved Universitetet i Oslo

Ultra-effektive solceller, laget av rimelige materialer, kan være her alt om noen år.

Publisert: 1 Sep 2014

Av Ole Martin Løvvik,
seniorforsker ved SINTEF Materialer og kjemi
og professor II ved Universitetet i Oslo

Sollys tilfører jorda svære mengder energi: 10 000 ganger mer per tidsenhet enn mennesket høster fra alle andre energikilder tilsammen. Solceller omgjør lyset direkte til elektrisitet og vil trolig stå for mye av fremtidens strømproduksjon.

Dagens kommersielle solceller utnytter imidlertid bare 14 - 22 prosent av energien i sollyset, alt etter hvordan de lages. Men med støtte fra Forskningsrådet, er vi ved SINTEF og Universitetet i Oslo nå i gang med å utvikle teknologi som kan gjøre morgendagens solceller dobbelt så effektive som dagens. Lykkes vi, blir det som "å finne opp solcella på nytt"!

Hvor mye strøm får du per kvadratmeter tak eller fasade som er dekket med solceller? Spørsmålet har blitt stadig viktigere, siden en økende andel av kostnadene for solenergi skriver seg fra sammenkobling og installasjon av solcellepanelene. Så derfor: Blir solceller dobbelt så effektive som før, vil prisen per produsert kilowattime nesten halveres. Dette vil bedre konkurranseevnen til solkraft vesentlig. Dagens kommersielle solceller er i hovedsak laget av rent silisium. Om de raffineres aldri så mye, vil de ikke klare å omdanne mer enn 30 prosent av sollyset til strøm. I prosjektet vårt utnytter vi et annet materiale – med en teoretisk maksimalytelse på 60 prosent. Og best av alt: Materialet er ikke dyrere enn solcelle-silisium.
Materialet det handler om, er vi i ferd med å utvikle sammen med forskere ved Universitetet i Linköping i Sverige. Det er en spesialversjon av silisiumkarbid, et stoff som i normalutgave brukes til å lage slipemidler.

I alle solcellematerialer må elektronene utøve en form for fjellklatring for å bli i stand til å lage strøm. Hemmeligheten bak det nye materialet er at det muliggjør alternative klatre-ruter som fører langt flere elektroner til topps. Elektroner kan frakte strøm. Normalt bor de i skallet til atomer. Når sola skinner på solcellen, bombarderes elektronene av lyspartikler (fotoner). Disse sparker elektronene ut av det trygge husværet i atomskallene. Hodestups slynges elektronene opp "en stupbratt bergvegg". Men ikke alle får like harde spark i baken.
Noen av elektronene får et skyv som er kraftig nok til at de når fjelltoppen. Bare når de står her, kan de lage strøm. I ei silisiumbasert solcelle vil det meste av lyset i regnbuen bringe elektroner til toppen slik at disse blir strømprodusenter.

Men energien de produserer, avhenger av høyden på fjellet. Jo høyere fjelltoppen er, jo mer arbeid kan elektronene utføre. Men toppen er ganske lav i silisium.
"Bergveggen" består av et energiområde som kalles båndgap. Der er det umulig for elektroner å være. Det nye materialet gir oss sjansen til å lage et helt nytt fjell-landskap. Blant annet gjør vi selve toppen høyere, slik at hvert elektron gir mer energi.
Men helt opp til denne toppen slynges bare de elektronene som får harde spark i baken av sollyset. Derfor legger vi inn ei hylle litt over midtveis i bergveggen. Her lander elektronene som får middels harde spark bak. Deretter kan de slappeste fotonene – partikler fra den minst energirike delen av lyset – angripe elektronene på hylla og sparke dem den siste biten til topps.

På fagspråket vil dette si å bygge flere båndgap inn i ett og samme materiale. Lykkes vi, får vi utnyttet en langt større del av lyset enn det silisiumbaserte solceller klarer. Vi vil prøve å lage fjellhylla ved å tilsette små mengder av fremmedstoff i utgangsmaterialet vårt – i rett kombinasjon og mengde. Det er ennå ingen som har fått til akkurat dette noen steder i verden, så risikoen er høy. Går alt bra, vil vi trolig trenge ti år på å forvandle ideen vår til salgsklare solceller. Men vi håper og tror at resultatene vil være vel verdt å vente på.