Solenergi blir stadig viktigere i det grønne skiftet. Likevel har dagens solceller en stor svakhet. De klarer ikke å utnytte brorparten av sollyset. Det betyr at mesteparten av solenergien går til spille i dag. Nå er forsker Kristin Bergum på Senter for materialvitenskap og nanoteknologi ved Universitetet i Oslo i gang med å designe og teste ut fremtidens solceller, som kan utnytte femti prosent mer av sollyset.
Takket være et hypermoderne instrument på nano- og mikrolaboratoriet, til ikke mindre enn 20 millioner kroner, kan Bergum designe disse solcellene atom for atom. Instrumentet er dessuten så effektivt at forskerne nå kan mangedoble hastigheten og teste ut så mye som ti nye typer materialer hver dag. Det gjør det enklere for henne å prøve seg frem og finne noe som kan fungere optimalt. Siden instrumentet kom i hus for et par år siden, har Kristin Bergum i jakten på den optimale solcellen testet ut flere hundre ulike materialer.
Dagens solceller
For å skjønne hvordan hun leter etter det best fungerende materialet til fremtidens solceller, er det nødvendig å vite hvordan dagens solceller fungerer.
De består av silisium. Rent silisium leder strøm svært dårlig.
– Fungerende solceller må ha noen defekter. Defektene er de områdene i solcellene som består av andre atomer enn silisium. Disse defektene kan spesialkonstrueres ved å bytte ut en liten andel av silisium-atomene med andre atomer.
Innsiden av dagens solceller består av to lag. Oppskriften er av det enkle slaget.
I det ene laget er det vanlig å bytte ut noen silisium-atomer med bor-atomer. Et bor-atom inneholder færre elektroner enn et silisium-atom. Mangelen på elektroner fører til at dette laget leder strøm.
I det andre laget er noen av silisium-atomene byttet ut med fosfor-atomer. Et fosfor-atom inneholder flere elektroner enn et silisium-atom.
Når de to lagene settes sammen, oppstår det et elektrisk felt mellom dem. Med en gang solen skinner på solcellen, dannes det strøm.
I dag produseres de fleste silisium-solcellene på denne måten. De utnytter nesten all energien i det røde lyset. Likevel har solcellene en stor svakhet.
– Svært mye av energien fra det blå lyset går til spille.
Fremtidens solceller
For å øke effektiviteten ønsker Kristin Bergum å legge en ny solcelle oppå dagens solceller, som skal fange opp den blå delen av lyset samtidig som den skal slippe igjennom det røde lyset.
Silisium-solcellene kan teoretisk omgjøre 29 prosent av solenergien til elektrisitet. Hvis man klarer å utnytte det blå lyset bedre, vil man kunne fange opp nesten 43 prosent av solenergien.
– Det betyr en økning på vel femti prosent.
For å fange opp det blå lyset eksperimenterer Kristin Bergum med sink. Sinken skal krydres med oksygen- og nitrogenatomer. Da får hun et materiale som kalles for sinkoksinitrid.
Målet hennes er å finne den perfekte fordelingen av oksygen- og nitrogenatomer.
For å klare dette konstruerer hun en rekke materialer med ulike fordelinger for å sjekke ut hvilken kombinasjon som fungerer best.
Den dagen hun har funnet den beste blandingen, skal løsningen hennes være lett å masseprodusere.
– Det er ikke noe problem å skalere opp slike typer materialer, poengterer Bergum, som samtidig legger til at de ennå ikke har tatt ut noen patenter:
– Vi er fremdeles veldig tidlig i forskningen vår. Vi må få til en god og fungerende solcelle før industrien blir interessert.
Solenergi – en suksess i Arktis
Tynnere enn et hårstrå
Det ekstra solcellelaget blir mye, mye tynnere enn et hårstrå. Mens et hårstrå er 17 til 180 mikrometer tykt, håper Kristin Bergum at de kan presse tykkelsen på solcellelaget ned til en halv mikrometer. Det er bare en totusendedels millimeter.
Den dagen industrien setter i gang, skal dette laget legges oppå dagens solceller. Da kan fremtidens solceller utnytte energien fra både den røde og den blå delen av lyset svært godt.
Den observante leser vil kanskje påpeke at slike «tandemløsninger» finnes allerede i dag. De har helt rett! Men disse løsningene har noen store svakheter. Noen av tandem-solcellene er så dyre at de nesten bare brukes i romfart. Andre inneholder bly. De holder seg dårlig. Og det er ikke akkurat miljøvennlig.
– Det er viktig at den nye solcellen vår lever like lenge som dagens solceller. Da må den holde i 30 år, poengterer Kristin Bergum.
Beskytter solcellen
En av de andre store fordelene med å lage en solcelle som kan fange opp mer av det blå lyset, er at den også vil kunne beskytte dagens solceller som fanger opp rødt lys.
Fysikkens verden er så begredelig innrettet at all energi må omdannes til et eller annet. Så lenge det blå lyset ikke blir utnyttet, vil det varme opp solcellene. Det er uheldig.
– Når solceller blir varmere, blir de mindre effektive. Dessuten svekkes de raskere. Det er derfor lurt å sørge for at solcellene holder seg kalde. Det betyr at solcellelaget vårt, som skal utnytte det blå lyset, også kan forlenge levetiden til dagens solceller.
Artikkelen ble først publisert av Apollon.
Equinor med nytt gassfunn
