Et av de heteste forskningsområdene innen materialvitenskapen det siste tiåret har vært en gruppe materialer kalt «halide perovskitter». I dag er disse materialene gjenstand for flere tusen publikasjoner årlig, men det var nærmest ved et uhell at de for alvor kom i forskernes søkelys.
Gjennom eksperimenter på såkalte «dye-sensitized solar cells» viste det seg at noen salter som forskerne hadde tilsatt for å forbedre lysabsorpsjonen, faktisk fungerte bedre som solcellemateriale i seg selv. De nye solcellene hadde et åpenbart potensial, og utviklingen skjøt fart.
Mindre enn ti år senere nærmer de første «perovskitt-solcellene» seg markedet, og forskerne har fått øye på en rekke andre potensielle bruksområder for dette «vidundermaterialet». Nykommeren konkurrer nå med dagens markedsledende silisiumteknologi på det viktigste ytelseskriteriet for solceller: hvor effektivt cellen konverterer energien i sollyset til brukbar elektrisk energi.
Tandemceller utnytter sollyset bedre
Men et av perovskittenes viktigste bidrag til solenergiindustrien skjer i kombinasjon med eksisterende teknologi. Ved å legge perovskittcellen oppå silisiumscellen og lage såkalte tandemceller, kan man oppnå en vesentlig bedre utnyttelse av sollyset enn man kan med noen av cellene alene.
Perovskittmaterialene er perfekt egnet for dette. Materialet kan legges oppå standard silisiumsceller ved å spraye eller «printe» med en saltholdig løsning – eller ved å fordampe saltene fra en oppvarmet kilde, så de kondenserer på substratet. I begge tilfeller blir den underliggende cellen utsatt for minimal belastning og temperatur.
En annen fordel: Man kan finjustere hvilken del av solspekteret perovskittcellen skal virke på. For at en tandemsolcelle skal levere høyere effekt enn en enkeltcelle, må de to cellene spesialiseres for utnyttelse av hver sin del av spekteret. Silisiumsolceller er godt egnet for infrarødt og rødt lys, men kaster bort mye av energien i den mer høyfrekvente (blå) halvdelen av spekteret. Perovskittsolcellene egner seg godt for blått lys, og ved å endre den kjemiske sammensetningen av perovskittmaterialet, kan man optimalisere utnyttelsen.
Materialegenskaper
For å forstå hvordan endring av kjemisk sammensetning kan påvirke lysutnyttelsen, må vi først se på materialets struktur. Disse materialene består av en rekke ioner: Anionene er halider (jod, brom eller klor), mens kationene er toverdige bly-ioner og enverdige organiske molekyler. Disse krystalliserer i den såkalte perovskittstrukturen. Her sitter halidene som hjørner i oktaedre rundt bly-ionet (se illustrasjon: oransje oktaedre med sentralt rødt bly-ion). Størrelsen på oktaedrene er med på å bestemme ved hvilke bølgelengder materialet absorberer lys, og den kan justeres ved å endre sammensetningen av halider. Erstatter man eksempelvis noen av de større ionene med noen mindre, så krymper oktaedrene og absorpsjonen beveger seg over i den blåere delen av spekteret. Dette gjøres ofte ved å bytte ut jod med brom eller klor.
De halide perovskittenes potensial innen solenergien skyldes også andre materialegenskaper. God elektrisk ledningsevne og høy toleranse for materialdefekter hører også med til forklaringen. Begge egenskapene er viktige for å kunne føre de frie elektronene, som er blitt generert av sollyset, ut i den eksterne kretsen. At materialet har høy defekt-toleranse, betyr at urenheter eller feil i krystallgitteret ikke fører til at en stor andel av elektronene går tapt på veien. Denne egenskapen gjør det mulig å fabrikkere effektive solceller langt enklere og billigere enn for en rekke andre materialer – som silisium, hvor man må ta særlige hensyn under produksjonen for å unngå defekter.
Perovskitt-tynnfilmer på noen hundre nanometer er nok til å absorbere praktisk talt alt innstrålende sollys, takket være materialets gode absorpsjonsevne. Dette gjør materialene egnede for bøyelige solceller på polymerfilmer. Dette vil gi moduler som veier mye mindre enn de du har på hustaket og kan egne seg godt for bruk i eksempvlis biler, fly, og droner.
Kortere holdbarhet
Men det finnes også utfordringer. Selv om det gjøres store framskritt, er perovskittsolcellene ennå et stykke unna holdbarheten til silisiumsolceller, som kan holde høy effektivitet i opptil 30 år. Nøkkelen er å finne måter å få materialene til å holde en stabil kjemi, hvor de hverken brytes ned av seg selv eller omgivelsene.
Bruken av bly kan også vekke bekymringer for miljøet, selv om mengdene som benyttes er forsvinnende små. I dag er bruk av bly i solceller lovlig i regulerte former. Forskerne jobber også med blyfrie perovskitt-varianter, men disse har ennå ikke kunnet konkurrere på ytelse med de blyholdige.
Også til LED-skjermer
Solceller vil nok være det første produktet basert på halide perovskitter vi ser på markedet, men materialene har vist seg lovende også for andre bruksområder. LED-skjermer med bedre fargegjengivelse og lavere strømforbruk enn dagens er ikke urealistisk.
Lenger inn i framtiden kan vi eksempelvis også håpe på billigere og lettere lasere – og scintillatorer som muliggjør høyere bildeoppløsning i for eksempel medisinske PET-scannere. Vi har fortsatt mye å lære om denne materialgruppen, og forhåpentligvis får vi flere spennende overraskelser i framtiden.
Innlegget ble først publisert i Teknisk ukeblads månedsmagasin, 5/2021.
Kikkan får 30.000 i måneden for å leie ut batteriet sitt
