Bit för bit – här läggs pusslet till framtidens solceller

Bit för bit – här läggs pusslet till framtidens solceller

I Uppsala ska solcellstekniken ta ett rejält kliv framåt. Sveriges Natur har besökt Ångströmlaboratoriet och fått veta mer om betydelsen av moln, blyatomer och ljusets våglängd. Det handlar om en energikälla som kan försörja hela det mänskliga samhället flera gånger om.

En dag när solen tvekar öppnar Marika Edoff dörren till ett rum i Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet. Professorn i fasta tillståndets elektronik har små svarta fyrkanter täckta av glas i handen och lägger dem på en metallplatta. Så slår hon på en lampa med bländande ljus som ska motsvara vad den riktiga solen levererar en soligare dag än denna.

– Här kan solcellerna ligga och gona sig och sedan får vi mäta på dem igen efter ett tag, förklarar hon.

Selen, bokstaven s i Cigs.

Forskningsvärlden söker svar på flera frågor. En av dem är hur mycket el tekniken kan leverera i förhållande till mängden ljus som strålar in, det vill säga verkningsgraden. Ju mindre yta som behöver täckas av solceller desto bättre. Det gör också installationerna billigare. Men det handlar inte längre om att göra solcellerna konkurrenskraftiga vad gäller pris per kilowattimme, det är de redan. Det är Marika Edoff noggrann med att påpeka.

– Redan i dag räcker det att täcka taket till en vanlig villa för att få tillräckligt mycket el för hushållet, förutom det som behövs för uppvärmning. De betalar sig på tio år med dagens elpris, säger hon.

Men det som är bra kan bli bättre. Eftersom en stor omställning måste göras, är det bråttom att förbättra teknik som kan ersätta fossil energi i det globala energi­systemet. Solens strålar ger 2 000 gånger mer energi än vad vi människor på jorden använder.

Kombinerar tekniker

Solcellerna i Marika Edoffs hand ger inte så mycket ännu. Däremot inger de hopp om ett stort kliv framåt. I dagsläget gnetar sig tekniken uppåt procent för procent i verkningsgrad, från 20-procentstrecket och uppåt. Nu hoppas forskarna i Uppsala på att ta klivet upp till 30 procent. Av solens1 000 watt per kvadratmeter en solig sommardag, kan då 300 watt bli el.

Det Marika Edoff har i handen kallas tandemsolceller. Så kallad Perovskitteknik som är lovande men ännu inte kommersiell ska kombineras med den teknik hon är expert på.

– Det går ut på att man blir starkare tillsammans, det är själva grejen.

Perovskitens rekord är hela 26 procent, uppnått av forskare i Oxford. Fast det är bara för en liten yta, konstaterar Marika Edoff och varnar för övertolkning. Den andra tekniken kallas Cigs, vilket är första bokstaven på latin för de ämnen som ingår, nämligen koppar, indium, gallium och selen. Cigs-celler har levererat 23 procent som mest och den siffran är hon säkrare på, för det är den teknik hon själv arbetat med länge.

Marika Edoff placerar solceller i artificiellt solljus.

Perovskitkristallerna är bra på att fånga upp energirikt blått ljus medan Cigs-cellerna därunder ska finslipas för det långvågiga, infraröda ljuset, som också kallas värme­strålning. Tillsammans kan skikten ge det större klivet. En fördel med att fånga upp just värmestrålning är att cellerna blir mindre varma och då ökar verkningsgraden ännu lite mer.

Tandemsolcellerna i Marika Edoffs hand har ännu inte gett mer än 16 procent. Det är visserligen bra tycker hon, med tanke på hur kort tid projektet pågått, men räcker inte. Den centrala frågan i projektet är egentligen inte verkningsgraden utan hur stabil tekniken är, framför allt perovskitskiktet. Verkningsgraden måste förbli hög år efter år.

– Är de inte stabila när de får hög spänning över sig, då är det kört, säger hon.

Miljondels millimeter

Det blir alltså många fler rundor till de extra dammfria så kallade renrummen några trappor ner innan tandemtekniken är redo att installeras på hus och hem eller i solcellsparker. Innan dess ska strukturen finslipas på nära nog atomnivå, med en ­precision mätt i nano­meter, alltså miljondels milli­meter.  Ett hårstrå är enormt i sammanhanget. Plastmössa på inför besöket alltså, liksom overall och renrumsskor.

– Får vi dåliga resultat här vet vi i alla fall att det inte beror på damm, säger Marika Edoff.

I ett hörn i ett av rummen står en maskin och dunkar. Den pumpar rent på atomnivå, så att vakuum råder när solcellerna ska tillverkas.  Syreatomer eller kväve från luften får inte störa när den fina strukturen i solceller ska sättas ihop, skikt för skikt.

Maskinen som dunkar är Marika Edoffs favorit. Hon använde den redan när hon började forska här för tjugo år sedan. Tekniken är enkel och robust. En vakuumpump och elektriska element som ser till att temperaturen blir exakt den som krävs för olika sorters solceller.

– Gallium är häftigt. Det smälter vid 29 grader, när man håller det i handen, berättar hon och visar en liten kula av metallen som står för g-et i Cigs.

Mössan på i renrummet.

Perovskiten som består av helt andra ämnen görs inte här. I arbetet med den nya tekniken ingår promenader genom en täckt gångbro till huset brevid. Där möter Malin Johansson och hennes kollegor upp.

– Det vi gör nu är att prova lösningsmedel som är mer vänliga mot miljön, säger Malin Johansson.

Hon och kollegorna är experter på det översta lagret i tandemsolcellen. ­Materialet kan bestå av flera olika grundämnen som alla har det gemensamt att de passar in i en speciell kristallstruktur som är bra för solceller.

Arbetar med återvinning

Ett viktigt problem som måste lösas för perovskittekniken är miljöbelastningen.  Bly fungerar mycket bra i den speciella kristallstrukturen. Om det byts mot något annat sjunker verkningsgraden.  Perovskitforskarna arbetar med återvinning, inte bara för bly.

– Det är väldigt viktigt att tänka på recycling, för solcellerna har inte evigt liv, säger kollegan Gerrit ­Boschloo.

Marika Edoff, som har erfarenhet av produktion i kommersiell skala, berättar att det redan finns i planerna. Vid tillverkningen av alla sorters solceller blir det mycket spill som återförs till produktionen. Den stora mängden material handlar dock om glas. För en solcell på femton kilo står själva solcellsmaterialet bara för några gram.

Koppar, Cu, behövs också för Cigs.

– Arbetar man med miljöteknik måste man vara extra försiktig vad gäller miljö­frågor, säger Marika Edoff som redan som student bestämde sig för att ägna sig åt förnybar energi.

Det börjar se mer lovande ut uppe bland molnen, vi anar solen glimta till. Det är dags att gå ut i blåsten på taket och möta den verklighet som solcellerna ska klara i minst 25 år, vilket är så länge garantierna räcker.

Ovanpå Ångström­laboratoriet finns flera blänkande, lutande ytor med olika mönster, alla riktade åt söder och med en lutning på ungefär 45 grader.

– De vi har här är bra på både infrarött och synligt ljus. Men i tandemsolcellerna ska de vara helt optimerade för infrarött ljus, säger hon.

Solen är opålitlig och gömmer sig igen. Det blir el härifrån ändå, om än bara kanske tio eller femton ­procent av maxeffekten, försäkrar Marika Edoff. På natten blir det ­ingenting som går att mäta, inte ens vid månljus.

– Solen är så enormt stark. Det märker man när man börjar göra lampor som ska likna den, säger Marika Edoff.

Hon pekar mot några fönster i ett av de intilliggande husen och berättar att där finns en grupp som forskar på bättre teknik för batterier. De kan behövas för att lagra elen från solcellerna över ett dygn. För den stora årsvariationen duger de däremot inte, eftersom de är för dyra. Då kommer vattenkraften väl till pass, den som används redan i dag för att jämna ut variationerna i elsystemet.

Malin ­Johansson ska göra perovskiten bättre.

Snö eller löv behöver däremot inte vara ett problem. Snön smälter bort ovanpå de varma solfångarna och löven faller av på grund av lutningen. Glaset skyddar mot regn och rusk och annat som kan tänkas skada de dyrbara tunnfilmerna därunder, utom kanske om en sten faller eller kastas på dem. När de glastäckta rektanglarna och elledningarna som kopplar dem till nätet väl installerats fungerar de med väldigt lite underhåll, år efter år.

– Det är bara skivor som är uppmonterade. Det är en av de stora fördelarna med solceller, säger Marika Edoff.

När solcellerna i asken kan ställas upp på taket är en fråga som ännu inte har ett svar. Sedan tar det ännu en tid innan de kan börja säljas. Om allt går som forskarna hoppas. De solceller som Marika Edoff utvecklat tidigare behövde 20 år för att komma ut på marknaden. Nu vill hon att det ska gå fortare.

– Jag tror ett vettigt tidspann är fem år. Längre än så får det inte ta. Det är bråttom.

Läs fler artiklar i vår temasatsning Framtidens energi:

Jakten på bättre batterier
Vindkraften i stormens öga
Artikeln publicerades i
Senaste nytt från Sveriges Natur direkt i ditt flöde Följ oss på Twitter