Energi i överflöd

12.10.2018

TEXT: Nicklas Hägen

Solen erbjuder oss energi i mängder – långt mer än vi behöver. För att bättre utnyttja potentialen som finns för solkraft krävs nya teknologier. En lovande lösning är solceller i plast.

Från solen till jorden strålar konstant in cirka 1 kilowatt energi per kvadratmeter, vilket spritt över jorden motsvarar cirka 170 000 terawatt (170 000 000 000 000 000 watt). Vår konstanta energianvändning är en bråkdel av det, uppskattningsvis cirka 2,5 kilowatt per person. Om man bara ser till mängden tillgänglig energi finns det alltså ingen orsak att vi inte skulle kunna övergå uteslutande till solenergi.

Fullt så enkelt som att bara producera flera solceller är det inte, i så fall hade vi knappast haft några energiproblem kvar. När man beaktar produktion, transport, installation och hållbarhet visar det sig att utmaningen de facto är rätt stor.

– Om vi inte tar tillvara solens energi, utan använder oss av fossila bränslen och andra bränslen som tar länge att skapa får vi snart problem. Men vi behöver en mängd nya teknologier för att utnyttja den enorma potential som finns i solen, säger Ronald Österbacka, professor i fysik vid Åbo Akademi.

– En stor utmaning är att människor använder elektricitet dygnet runt, medan solenergi produceras lokalt när solen skiner. Att täcka större delar av jordens yta med solceller skulle dessutom vara en katastrof för de lokala ekosystemen, så det finns många frågetecken kring hur vi ska spara och distribuera solenergin. 

En lösning är att utveckla effektivare solceller, något Österbackas forskargrupp vid Åbo Akademi sysselsätter sig med. De svarta kiselsolcellerna vi är vana att förknippa med solkraft behöver nämligen ersättas.

– Kisel är ett fantastiskt material för solceller på många sätt, men kiselsolceller tillverkas genom att man smälter sand vid väldigt höga temperaturer. Den här produktionen kräver i sig mycket energi. Det tar nästan fem år för att en solpanel ska producera lika mycket energi som det tagit att tillverka den och man kan räkna med att den har en livslängd på tio till femton år, säger Österbacka.

– De här panelerna är dessutom otympliga att använda, då de är hårda och behöver läggas upp i tunga aluminiumramar. För att vi ska kunna utveckla solkraften finns ett behov att ersätta kiselsolcellerna med andra material.

Knockade elektroner

Solceller fungerar som LED-lampor, men tvärtom. Där man i en lampa använder el för att producera ljus, tar en solcell tillvara ljuset för att producera el. 

Tekniken bygger på så kallade halvledare, det vill säga material där elektronerna runt atomerna kan befinna sig i två olika energinivåer. Då ljuset från solen strålar på materialet kommer fotoner, alltså ljuspartiklar, att träffa elektronerna i halvledarna och knocka till dem. Det här ger elektronerna en extra laddning och får dem att flytta upp till den högre nivån. Kvar på den plats där elektronen tidigare befann sig blir en tom lucka, ett elektronhål.

I en solcell styr vi elektronen åt ett håll och hålet åt det andra hållet. På så sätt skapas en elektrisk ström som vi kan ta tillvara i en elektrisk krets.

– I en solcell skapar vi en elektrisk spänning och ström mellan panelerna på fram- och baksidan. Detta görs genom att använda material som leder elektroner och elektronhål åt olika håll, säger Österbacka.

– Sedan leder vi ut elektronerna ur solcellerna till en yttre krets där vi kan använda elektriciteten, till exempel till att tända lampor eller ladda mobiltelefoner.

Hur effektiva solceller vi kan skapa, alltså hur mycket energi vi kan omvandla ur solens strålar, beror på fyra olika processer: hur väl solljuset absorberas av solcellen, hur lätt elektronen och hålet separeras från varandra, hur fria elektronerna är att röra på sig och hur väl de elektriska strömmarna tar upp av kontakterna mellan materialet och den övriga kretsen – till exempel ett elnät eller ett laddningsbart batteri. 

– I alla dessa processer riskerar vi att förlora energi så vi behöver hitta de optimala lösningarna för varje del, säger Österbacka.

– Solceller med ett aktivt lager har en teoretisk maxeffektivitet på drygt 30 procent. Det sker en hel del svinn, till exempel på grund av att det kommer att vara fotoner som går direkt igenom materialet i solcellen utan att absorberas. För att det ska bli relevant att fortsätta arbeta med en viss teknologi behöver man komma upp till minst tio procents effektivitet.

Plast ger nya möjligheter

Kisel har vissa positiva egenskaper. Det absorberar ljus så bra som det teoretiskt är möjligt och gör det möjligt för elektronerna att röra sig relativt fritt. De solceller av kristallint kisel, första generationens solceller, som vanligtvis tillverkas i Kina och idag går att köpa rätt förmånligt har vanligtvis en effektivitet på knappt 15 procent.

Andra generationens solceller använder amorft kisel, som gör det möjligt att använda ett betydligt tunnare lager kisel för att minska på tillverkningskostnaden. Dessa så kallade tunnfilmssolceller har dock en lägre verkningsgrad.

Forskarna vid Åbo Akademi är med och utvecklar tredje generationens solceller som är gjorda i plast och betydligt billigare att tillverka. 

– Vi använder lösliga material som gör det möjligt att med tryckteknik tillverka solceller. De här producerar den energi som gått åt att tillverka dem på mellan två och sex månader i stället för fem år, vilket är mycket mera energieffektivt än med kisel, säger Österbacka.

Utvecklingen under de senaste åren har varit snabb och de första plastsolcellerna finns redan kommersiellt tillgängliga. Genom att använda mjuka och lätta material som man kan tillverka i rullor får man solceller som är lätta att transportera. 

– När vi funderar på hur vi ska få effektivare solceller är det i första hand inte ett lokalt energiproblem vi försöker lösa, utan ett globalt. Till exempel kunde solceller som är lätta att transportera och som kunde klippas och stansas upp på en vägg användas i områden med dålig infrastruktur men med mycket sol, för att driva en vattenpump eller jämna ut toppar i belastningen av elnätet, säger Österbacka.

– Om man sedan funderar på västvärlden så uppstår de stora topparna i elförbrukningen under heta sommardagar då folk startar luftkonditioneringen. Idealet skulle vara att använda solenergi till detta, till exempel genom att ha solceller i målfärgen på väggar eller i fönsterglaset.

Rumsren perovskit under utveckling

En specifik form av solceller som ter sig speciellt lovande är så kallade perovskitsolceller. En perovskit är en viss kristallstruktur, närmare bestämt tre material vars molekyler är blandade på ett visst sätt.

– Det har visat sig att elektroner i vissa typers perovskiter flyttas upp en nivå mycket lätt, och att de dessutom är väldigt fria att röra sig i den här nivån – precis som i kisel. Men vi vet inte exakt vad det är som ger perovskiterna de här egenskaperna så det behöver vi forska vidare i, säger Österbacka.

Perovskitsolceller består av en bottenkontakt skapad med tennoxid som är dopad med fluor, vilket ger en genomskinlig kontakt som leder ström väldigt bra. På ena sidan stryks ett tunt lager titanoxid, en vit målfärg, som släpper igenom elektroner men inte elektronhål. Den andra sidan bestryks med nickeloxid, som i sin tur släpper igenom elektronhål men blockerar elektroner.

Det finns många saker som behöver utvecklas för att perovskiterna ska bli den dominerande solcellstekniken. Österbackas forskargrupp arbetar tillsammans med Jan-Henrik Småtts forskagrupp i fysikalisk kemi bland annat med att förstå vilka faktorer som gör perovskitsolcellerna stabilare. Perovskitsolceller har bara funnits i knappt tio år, och även om utvecklingen varit snabb tenderar de ännu att degradera lite väl snabbt.

En annan förbättring man behöver göra är att skapa en homogen perovskitfilm. Normalt kristalliserar perovskiten till många små separata kristaller liknande salt- eller sandkorn, vilket försämrar kontakten jämfört med en enhetlig kristall. Dessutom innehåller dagens bästa perovskitsolceller en del bly, vilket är giftigt och riskerar att ge farliga problemavfall och därför behöver ersättas innan de kan användas kommersiellt.

– Blybaserade perovskiter har den fördelen att de genererar och transporterar laddningar extremt bra. Förvånansvärt bra. Men i och med att den innehåller bly har den en otäck problemavfallsaspekt. Det finns lovande resultat att man med hjälp av andra atomer än bly kunde göra fungerande perovskitsolceller och det är något man måste titta på, säger Österbacka.

– Vi arbetar också på att förbättra både ledningen inom kristallerna och ut till kontakterna. Det ger nämligen nya möjligheter men också nya problem när elektronerna kommer åt att röra sig så bra som i perovskitsolceller. Om kontakterna inte klarar av att ta emot och suga åt sig den här energin kommer den att matas tillbaka in i solcellen och därifrån försvinna i form av ljus och värme.

Förhoppningen är att vi snart ska kunna producera största delen av elektriciteten med förnybar energi. Där är solkraft ett attraktivt alternativ.

– Om vi kan lösa de ekonomiska och politiska frågor som är kopplade till energiförsörjningen är jag säker att vi inom några decennier kommer att ha de tekniska lösningarna för att göra det möjligt.

Science Bites

Se Ronald berätta om solenergi i videoserien Science Bites på Åbo Akademis YouTube-kanal.