Hajpat material spränger gränsen för solcellers effektivitet
Ett genombrott inom solcellsforskning kan leda till en helt ny sorts solceller, samt bana väg för massproduktion av supereffektiva solceller.
De solpaneler vi använder i dag är kiselbaserade celler konverterar 15–20 procent vilka i genomsnitt konverterar 15–20 procent. Snart lanseras en ny en ny typ av solceller av ett helt nytt material som har en konverteringseffektivitet på drygt 30 procent.
Varje timme sprider solen mer energi över jorden är mänskligheten använder på ett helt år.
Om vi kan fånga upp solens hållbara energikälla effektivt kan vi i framtiden täcka en stor del av vår dagliga elkonsumtion med solenergi.
Med ”solcellernas effektivitet” menas den del av energin från solljus som solcellen kan omvandla till elektricitet. Så om en solcell har en effektivitet på 25 procent, så kan bara en fjärdedel av allt solljus som träffar cellen, användas till elektricitet
I dagsläget kan de mest effektiva solcellerna konvertera 23 procent av solljuset till användbar elektricitet – 29 procent under idealiska väder- och vindförhållanden – medan genomsnittet för alla solceller ligger någonstans mellan 15 och 20 procent.
Nu rapporterar både kinesiska och japanska forskare om stora genombrott i strävan efter att öka solcellernas effektivitet.
Och tack vare ett ”mirakelmaterial’’ som enligt forskarna inte bara ger större mängder energi, utan dessutom kan massproduceras avsevärt billgare än traditionella kiselceller.
Studien från Nanjing University visar att materialet perovskit i kombination med kisel – en så kallad tandemsolcell – kan öka effektiviteten till över 30 procent. Och studien målar upp en ljus bild av en framtid där vi kan se fram emot "solceller med en effektivitet på långt över 35 procent,” som kan bidra väsentligt till den globala strävan efter en snabb omställning till hållbar energi.
"Att övervinna denna tröskel ger förtroende för att högpresterande, billiga tandemsolceller snart kan finnas ute på marknaden", säger Tan Hairen, som är medförfattare och professor vid College of Engineering & Applied Sciences vid Nanjing University.
En billig solcell i två lager
En global brist på kisel har lett till att forskare i hela världen experimenterar med alternativa material till solcellsproduktion.
Perovskit är ett mineral med unika optiska och elektroniska egenskaper, vilket gör det till ett lovande material i produktionen av solceller.
De kinesiska och japanska forskarna har testat att lägga till ett lager av perovskit ovanpå solcellernas klassiska kisellager, och denna tandemsolcell har visat sig kunna förbättra effektiviteten markant.
Tandemsolcellen fungerar enligt studien genom att perovskitlagret absorberar kortvågigt solljus, medan kisellagret fångar upp långvågigt solljus.
Det ökar solcellens sammanlagda ljusinsamling och eftersom varje enskild cell absorberar mer energi, så sjunker priset på solenergi – vilket kan leda till att spridningen av solceller kan gå fortare.
Även om tandemsolceller fortfarande kräver produktion av de något dyrare kiselcellerna, så krävs det mindre mängder kisel i produktionen. Och eftersom tandemsolcellerna förbättrar effektiviteten generellt sett behöver man installera färre solceller och därmed använda mindre mängder kisel för att utvinna samma mängd energi.
Bekanta dig med framtidens solceller här
- Perovskit är ett mineral som upptäcktes i Uralbergen i Ryssland 1839.
- Det har en speciell typ kristallinsk cellstruktur och består av kalcium, syre och titanium.
- På grund av perovskitcellernas höga effektivitet, låga pris och minimala miljöpåverkan anses de vara en av de mest lovande teknikerna för effektiv och billig solenergi.
- Perovskitmineraler har en speciell finmaskig nanostruktur, som gör dem bättre på att fånga upp ljus än klassiska kiselsolceller.
- Perovskits egenskaper gör det möjligt att skörda energi från en större del av solens ljus.
- Solceller belagda perovskitfilm är lätta, flexibla och kan enkelt sättas fast på så gott som alla ytor för att producera elektricitet, även inuti byggnader.
- Perovskitmaterial är också så kallade superledare, som kan leda elektricitet helt utan motstånd.
- Forskarnas nya perovskit-kisel-tandemsolceller kombinerar de bästa egenskaperna från kristallinsk kisel och tidigare versioner av tunnfilmsolceller för att ge så hög effektivitet som möjligt och förbättra den praktiska användbarheten. De är framställda av kisel och perovskitkristaller och består av lager från de olika materialen.
- Tandemsolcellerna ökar de öppna kretsloppsspänningarna, vilket ger chansen till ökad energikonvertering.
Medförfattaren och professorn Tan Hairen är övertygade om att tandemsolceller av perovskit och kisel snart kommer att bana väg för massproduktion av ultra-effektiva och billiga solceller.
"Råmaterialen för framställning av perovskitceler är billiga och rikliga, vilket minskar produktionsomkostnaderna för cellerna till bara en tjugondel av de traditionella kiselcellerna. Dessutom är de lättare att producera och kan framställas i en enda fabrik", förklarar han.
Skyhöga förväntningar
Perovskit är inte direkt någon nyhet.
Den renommerade professorn i materialvetenskap Zeev Valy Vardeny frvida University of Utah beskrev 2017 perovskit som "ett otroligt undermedel", eftersom det redan då visade tecken på att kunna förbättra solcellernas konvertering av solljus till elektricitet.
Forskare har alltså redan känt till materialets potential i solceller, men den nya studien presenterar de första slutgiltiga bevisen för dess effektivitet.
Därför är förväntningarna på solceller av perovskit högre än någonsin och frågan är om det kan leva upp till hajpen.
I första hand ska forskarna försöka anpassa modellerna för användning i den verkliga världen. Medan centimeterbreda solceller är effektiva i laboratoriet, så är kommerciella solceller oftast 15 kvadratcentimeter och därmed större.