Forskere utvikler nå fremtidens miljøvennlige solceller, som skal fange opp dobbelt så mye energi som i dag. Trikset er å kombinere to ulike typer solceller for å kunne utnytte en langt større del av sollyset.

– Dette skal bli verdens mest effektive og miljøvennlige solceller. Det finnes riktignok solceller i dag som er like effektive, men de er både dyre og giftige. Materialene til solcellene våre skal dessuten være lett tilgjengelige og finnes mye av på Jorda. Det er et viktig poeng, forteller professor Bengt Svensson på Fysisk institutt ved UiO.

Svensson er en av landets fremste forskere på solenergi og har i årevis ledet svære forskningsprosjekter i Mikro- og nanolaboratoriet (MiNa-laben), som eies i fellesskap av UiO og Sintef. Med nanoteknologi kan atomer og molekyler settes sammen til nye materialer med helt spesielle egenskaper.

Fysikeren tar nå i bruk det aller ypperste innen nanoteknologi og skal utvikle de nye solcellene gjennom det europeiske forskningsprosjektet Solhet, som er et samarbeid mellom UiO, Institutt for energiteknikk (IFE) på Kjeller og det polytekniske universitetet i București, samt to andre rumenske institusjoner.

Moderne solceller

Målet deres er å utnytte enda mer av lysspekteret i sollyset enn det som er mulig i dag. 99 prosent av dagens solceller er laget av silisium, som er et av de aller vanligste grunnstoffene på Jorda. Uheldigvis utnytter silisiumcellene bare 20 prosent av sollyset. Verdensrekorden er 25 prosent, men disse solcellene er krydret med farlige og sjeldne stoffer. Den teoretiske grensen er 30 prosent. Forklaringen på denne begrensningen er at silisiumceller først og fremst fanger opp lysbølgene fra det røde lysspekteret. Det betyr at mesteparten av lysbølgene forblir ubenyttet.

De nye solcellene skal bestå av to energihentende lag. Det første laget skal fortsatt være lagd av silisiumceller.

– Den røde bølgelengden i sollyset danner strøm i silisiumcellen på en ganske effektiv måte. Vi har jobbet mye med silisium, så der er det ikke mer å hente.

Det nye trikset er å legge et lag oppå silisiumcellene. Dette laget lages av kobberoksid og skal fange opp lysbølgene fra det blå lysspekteret.

– Vi har klart å lage kobberoksid som henter ut tre prosent av energien fra sollyset. Verdensrekorden er ni prosent. Vi jobber nå intenst for å øke andelen til tjue prosent. Kombinasjonen silisiumceller i det ene laget og kobberoksidceller i det andre gjør at vi kan absorbere langt mer lys og dermed minske energitapet. Med denne kombinasjonen kan vi utnytte 35 til 40 prosent av sollyset, poengterer Bengt Svensson.

Solcellepanelet skal også bestå av andre lag. På undersiden legges det på et beskyttende glasslag og et metallag som leder strømmen ut av solcellen. Fremsiden skal bestå av et antirefleksjonsbelegg, slik at lysstrålene fanges opp og ikke reflekteres tilbake.

Solcellepanelet blir svært tynt. Tykkelsen på de enkelte lagene varierer mellom hundre og tusen nanometer. Tusen nanometer er en mikrometer. Et hårstrå er ti ganger tykkere. Ett av de store sjakk-trekkene er å lage et spesiallag som blir så tynt som en til to nanometer. Det kommer Apollon tilbake til, men først noen teoretiske forklaringer:

Fanger elektroner

Alle solcellematerialer lages av halvledende stoffer. Halvledere har helt spesielle elektriske egenskaper. De elektriske egenskapene styres av båndgapet.

Båndgapet sier noe om hvor mye energi som må til for å få tak i elektroner.

Materialer uten båndgap leder strøm. Materialer med stort båndgap leder ikke strøm. Halvledere er materialer med et båndgap midt imellom. Da leder de bare delvis strøm.

Nanoteknologien brukes til å designe materialer med et helt bestemt båndgap.

Når fotonene, altså lyspartiklene fra solen, treffer solcellen, tilføres energi til solcellen. Denne energien dytter et elektron gjennom båndgapet og inn i det som kalles for ledningsområdet. Da kan elektronene plukkes opp og tas ut som energi.

Elektronene etterlater seg elektronhull. Både elektronet og elektronhullet kan lede strøm.

– Utfordringen er å lage kobberoksid med et akkurat så stort båndgap at man rekker å fange elektronene før de detter tilbake igjen i elektronhullene. Dette har vi jobbet med i noen år, og vi begynner nå å skjønne hvordan dette lar seg gjøre.

Tiden er knapp. Det er likevel et lyspunkt: Hvis elektronene er borte fra elektronhullene i mer enn et tusendels sekund, er det mulig å fange dem.

• Les også: Slik virker en solcelle

Kaos mellom lagene

Et av de uløste problemene i de nye solcellene er grenseområdene mellom de ulike lagene.

– Når lagene legges oppå hverandre, dannes det kjemiske reaksjoner som reduserer effekten av, eller i verste fall – ødelegger solcellene.

Det ene problemet er grenseflaten mellom solcellelaget som fanger opp energi fra det blå lyset, og det ytterste laget, sinkoksid som både beskytter og leder strømmen ut fra solcellen.

Uheldigvis dør elektronene ved grenseflaten.

Den største utfordringen er grenseflaten mellom silisiumlaget – som henter energi fra det røde lyset – og kobberoksidlaget, som henter energi fra det blå lyset.

De to solcellelagene fungerer bra hver for seg. Og det er her Apollon kommer til poenget.

Problemet oppstår når lagene legges sammen. Da skjer det uheldige, kjemiske endringer.

– De kjemiske endringene kan endre båndgapet.

Når båndgapet blir feil, fylles elektronhullene igjen før man rekker å få tak i elektronene.

En av mulighetene er å legge inn noen andre stoffer mellom lagene, slik at de kjemiske endringene minimeres.

Det finnes flere måter å lage dette bufferlaget på.

– Vi ønsker å bruke et hydrogenrikt materiale. Det kan passifisere de kjemiske endringene og øke levetiden til elektronene og elektronhullene.

En annen mulighet er å krydre bufferen med galliumoksid, men dette stoffet er ikke akkurat miljøvennlig. Rent gallium er giftig.

Ved å lage bufferen så tynn som bare én til to nanometer, minimaliseres den kjemiske effekten.

– Jo tykkere mellomlaget blir, desto flere elektroner blir stoppet på veien. Det ødelegger den elektriske evnen. Hvis elektronene stopper opp i bufferlaget, fungerer ikke solcellene lenger.

• Les også: Knuser atomer for å lage fremtidens legemidler og solceller

Fra teori til praksis

De teoretiske beregningene av hvordan bufferlaget bør se ut, skjer på Det polytekniske universitetet i București.

– De er meget gode på teoretiske modelleringer, forteller Bengt Svensson.

Professor Laurentiu Fara på Det polytekniske universitetet i București forteller til Apollon at de blant annet har beregnet og simulert den optimale tykkelsen på solcellelagene, hvordan lagene best mulig kan legges sammen og hvordan det teoretisk sett er mulig å hente ut mest mulig strøm.

– Vi har store forventninger til at solcellene kan bli pålitelige og lønnsomme, men vi er meget klar over at det fortsatt gjenstår mye hardt arbeid, påpeker Laurentiu Fara.

UiO tar seg av eksperimentene. IFE skal lage prototypen for hvordan det er mulig å produsere solcellene i store volumer. IFE er dessuten hovedkoordinator for hele forskningsprosjektet.

– Vi har allerede i mange år, i samarbeid med norsk solcelleindustri, jobbet med silisiumbasert solcelleteknologi. Vi skal nå se på hvordan de to solcellelagene kan tilpasses hverandre for å få mest mulig effekt ut av hele solcellen og hvordan de to cellene påvirker hverandre både optisk og elektrisk, forteller Sean Erik Foss på IFE.

Han forteller at veldig mange forskere og teknologiselskaper nå jobber med den nye typen solceller med silisium i bunn og med et lag «mer eksotiske materialer» på toppen.

Det rumenske solcelleselskapet Wattrom skal vise at det er mulig å produsere de nye solcellene.

– Teknikken er billig, og den kan lett skaleres opp i store volum. Og det er ikke dyrere å lage solceller av kobberoksid enn silisium, sier Bengt Svensson.

Han mener solcellene vil bli svært lønnsomme å produsere fordi utnyttelsen av lysspekteret blir høy.

– Selv en tiendedels prosent økning av effektiviteten gir stor økonomisk gevinst for solcelle- industrien. Her er det snakk om en dramatisk økning av effektiviteten.

Solcellene skal dessuten fungere bra selv i de områdene på kloden der Sola står lavt, slik som i Skandinavia.

Han sier at effektive solceller kan endre hele måten å tenke energi på i fremtiden.

– Vi har en enorm ressurs i Sola. Hvis vi kunne ha utnyttet sollyset hundre prosent, ville én time av sollyset kunnet dekke hele det årlige energibehovet på Jorda. Potensialet er derfor enormt. I prinsippet er det mulig å dekke hele verdens energibehov med sollys. Solenergien er faktisk den fornybare energikilden som har aller størst potensial. Det er dette vi vil utnytte, forteller Bengt Svensson.

Artikkelen ble først publisert i Apollon.

Vinteren har vært varm på Svalbard i år. Det gjelder ikke laboratoriet der Niek Heijkoop jobber. Her er det stabilt – ti grader.

– Jeg håper resultatene mine kan brukes i datamodeller, forklarer Niek Heijkoop, som har valgt å tilbringe flere måneder om gangen ved drøyt 78 grader nord. Laboratoriet hans ligger inne i lokalene til Universitetssenteret på Svalbard (UNIS) i Longyearbyen.

Masterstudenten Heijkoop fra Universitetssenteret på Svalbard (UNIS) og TU Delft i Nederland jobber sammen med folk fra blant annet NTNU for å teste is som påføres sykliske, altså regelmessige, belastninger. Arbeidstøyet er tjukke klær og støvler. Det trengs inne i de spesialbygde kulderommene.

Men hvorfor i all verden trenger vi å vite hvordan is reagerer når den utsettes for sykliske belastninger over tid?

• Les også: Svalbard-sommerfugl funnet igjen etter 140 år

Skal gjøre leting trygt

Det er ikke akkurat en hemmelighet at temperaturen på kloden har gått opp de siste årene. Dette åpner så klart for uro og mange spørsmål. Men noen ser også muligheter.

Allerede i dag er det relevant for vindturbiner i Østersjøen. I framtida kan flere skip kanskje bruke nordlige farvann når de blir isfrie. Men noen snakker også om at mildere vær gjør at vi kan lete mer etter olje, mineraler og andre ressurser i nord. I så fall kan vi trenge faste installasjoner. Disse installasjonene må tåle de til tider temmelig tøffe forholdene som du finner noen få grader sør for Nordpolen.

For å gjøre leting og eventuell utnytting tryggest mulig må vi vite hvordan isen rundt faste og flytende installasjoner reagerer under forskjellige forhold.

En stabil plattform her nord kan bli omgitt av is store deler av året. En slik installasjon vil bevege seg, påvirke isen og igjen bli påvirket av den. Disse bevegelsene vil være repeterende over lengre tid på grunn av mer eller mindre stabile bølgebevegelser. Vi må derfor undersøke hvordan slike repeterende bølgebevegelser påvirker isen.

Trykket som oppstår i isen på grunn av disse bevegelsene kan simuleres i laboratoriet her ved UNIS.

• Les også: Blåskjellene på Svalbard kommer fra Middelhavet

Lager isen selv

– Det er grunnleggende fysikk, sier Heijkoop.

Sjøis har en styrke som er følsom overfor blant annet hvor hurtig vi påfører belastninger. Dette gjelder også når vi påfører isen sykliske belastninger.

For sjøis er for eksempel bølger en naturlig belastning som opptrer syklisk med en bestemt periode. Derfor er det viktig å undersøke styrkeegenskapene til sjøis for slike belastninger.

Konstruksjoner kan også bevege seg med en bestemt periode som følge av at isen kan presses og knuses mot konstruksjonen. Det er da viktig å forstå hvordan isens styrke påvirkes som følge av den sykliske belastingen fra konstruksjonen.

Utfordringen ligger blant annet i å få sammenlignbare resultater. Det betyr at isprøvene som utsettes for trykk må være like nok til at resultatene fra ulike tester kan gi reelle svar. Da nytter det ikke å gå utendørs for å forsyne seg av en tilfeldig isklump.

Isen som testes i laboratoriet på Svalbard lages da også innendørs for å få den så lik som mulig fra test til test.

• Les også: En levende ørken på Svalbard

Langsiktig arbeid

Heijkoop får hjelp fra flere andre forskere, blant annet postdoktor Torodd Skjerve Nord fra NTNU, som også er adjunkt og førsteamanuensis ved UNIS.

– Arbeidet til Niek Heijkoop er starten på et langsiktig arbeid med å forstå bedre hvordan is blir påvirket av sykliske belastninger. Dette er undersøkt delvis fra før, men ikke nok. For eksempel vet vi en del om hvordan sjøis oppfører seg under sykliske belastninger ved minus ti grader, mens vi vet veldig lite om hva som skjer når temperaturen stiger til minus fem grader, sier Skjerve Nord.

– I en større sammenheng ønsker vi å forstå om dette kan ha påvirking på hvordan vi bør beskrive isen i numeriske modeller som regner ut belastninger og respons i konstruksjoner.