Hypet materiale sprenger grensene for solcellers effektivitet
Et potensielt gjennombrudd for en helt ny type solceller kan bane vei for masseproduksjon av ultraeffektive varianter.
Dagens solcellepaneler bruker silisiumbaserte celler som i gjennomsnitt omdanner 15-20 prosent av sollyset til energi. Nå kan vi få solceller laget av et helt nytt materiale med en virkningsgrad på over 30 prosent.
Hver time sender solen mer energi mot jorden enn menneskeheten forbruker i løpet av et helt år.
Hvis vi kan utnytte solens fornybare energi effektivt, kan vi i framtiden dekke en betydelig del av strømforbruket vårt.
Solcelleeffektivitet er et mål for hvor mye energi fra sollyset som solcellen kan omdanne til elektrisitet. Hvis en solcelle har en virkningsgrad på 25 prosent, kan en fjerdedel av alt sollyset som treffer cellen, bli til elektrisitet.
I dag kan de mest effektive solcellene omdanne 23 prosent av sollyset til elektrisitet – 29 prosent under ideelle vær- og vindforhold – mens gjennomsnittet for alle solceller ligger på 15–20 prosent.
Nå melder kinesiske og japanske forskere om store gjennombrudd i arbeidet med å øke effektiviteten.
Det er takket være et spesielt «mirakelmateriale» som ifølge forskerne ikke bare produserer mer energi, men som også kan masseproduseres, og som kan bli billigere enn tradisjonelle silisiumceller.
Studien fra Nanjing universitet viser at materialet perovskitt i kombinasjon med silisium – en såkalt tandemsolcelle – kan øke effektiviteten til over 30 prosent. Og studien mener det er realistisk med «solceller med en virkningsgrad på godt over 35 prosent», som kan bidra vesentlig til den globale innsatsen for en rask overgang til fornybar energi.
«Det at vi har passert denne milepælen, gir oss tro på at tandemsolceller med høy ytelse og lave kostnader snart kan komme på markedet», sier Tan Hairen, medforfatter og professor i ingeniørfag ved universitetet.
En billig solcelle i to lag
En global mangel på silisium har fått forskere over hele verden til å eksperimentere med alternative materialer til solcelleproduksjon.
Perovskitt er et mineral med unike optiske og elektriske egenskaper, noe som gjør det til et lovende materiale for solcelleproduksjon.
De kinesiske og japanske forskerne har eksperimentert med å legge et lag perovskitt på toppen av det tradisjonelle silisiumlaget, og denne tandemsolcellen har vist seg å forbedre effektiviteten betydelig.
Ifølge studien fungerer tandemsolcellen ved at perovskittlaget tar opp kortbølget sollys, mens silisiumlaget tar opp langbølget sollys.
Dette gjør at solcellen kan ta opp mer sollys, og dermed blir kostnaden for solenergi enda lavere, noe som gjør det mulig å ta i bruk solceller raskere.
Selv om tandemsolceller fortsatt krever produksjon av de dyrere silisiumcellene, krever de mindre silisium i produksjonen. Og siden tandemsolceller forbedrer den totale effektiviteten, må det installeres færre solceller og dermed brukes enda mindre silisium for å produsere samme mengde energi.
Bli kjent med framtidens solceller her
- Perovskitt er et mineral som ble oppdaget i Uralfjellene i Russland i 1839.
- Det har en spesiell krystallinsk cellestruktur og består av kalsium, oksygen og titan.
- På grunn av perovskittcellenes høye virkningsgrad, lave kostnader og minimale miljøpåvirkning regnes de som en av de mest lovende teknologiene for effektiv og rimelig solenergi.
- Perovskittmineraler har en spesielt finmasket nanostruktur som gjør dem bedre til å fange opp lys enn tradisjonelle silisiumsolceller.
- Perovskittens egenskaper gjør det mulig å høste energi fra en større del av sollyset.
- Solceller belagt med perovskittfilm er lette og bøyelige og kan enkelt festes på nesten alle overflater for å produsere strøm, selv inne i bygninger.
- Perovskittmaterialer er også såkalte superledere, som kan lede strøm uten motstand.
- Forskernes nye tandemsolceller av perovskitt og silisium kombinerer de beste egenskapene til krystallinsk silisium og tidligere generasjoner av tynnfilmsolceller for å gi høy effektivitet og bedre anvendelighet. De er lagd av silisium- og perovskittkrystaller og består av lag av de ulike materialene.
- Tandemsolcellene øker spenningen i åpne kretser, noe som muliggjør økt effektkonvertering.
Medforfatter og professor Tan Hairen er overbevist om at tandemløsningen med perovskitt og silisium snart vil bane vei for masseproduksjon av ultraeffektive og rimelige solceller.
«Råvarene til perovskittceller er billige og finnes i store mengder, noe som gjør at produksjonskostnadene for disse cellene bare er en tjuendedel sammenlignet med tradisjonelle silisiumceller. Dessuten er de enklere å produsere og kan produseres i én enkelt fabrikk», sier han.
Skyhøye forventninger
Perovskitt er ikke akkurat noe nytt.
I 2017 beskrev den anerkjente professoren Zeev Valy Vardeny ved universitetet i Utah i USA perovskitt som «et mirakelmateriale» etter at det viste tegn til å forbedre solcellenes evne til å omdanne sollys til elektrisitet.
Forskere har allerede kjent til materialets potensial i solceller, men den nye studien presenterer det første endelige beviset på den kraftige effekten.
Forventningene til perovskittsolceller er derfor høyere enn noensinne, og spørsmålet er om de vil leve opp til den årelange hypen.
I første omgang vil forskerne forsøke å oppskalere de nye modellene slik at de kan brukes i den virkelige verden. Mens solceller på rundt en centimeter er nok i laboratoriet, måler solceller i handelen vanligvis rundt 15 centimeter hver vei og er altså mye større.