Solkraft med urein silisium
Ein ny metode for å produsera solceller reduserer mengda silisium med 90 prosent samanlikna med dagens solcellepanel.
– Vi bruker mindre og billegare råvarer, vi har færre prosessledd og langt mindre energibruk i produksjonen fram til dei ferdige solcellene. Dessutan kan vi bruke uren silisium, fortel stipendiat Fredrik Martinsen og professor Ursula Gibson ved Institutt for fysikk, NTNU.
Dei publiserte nyleg metoden i Scientific Reports, ein publikasjon i Nature-gruppa.
Gjennom å lage solceller av silisiumfibre innbakt i glas, har forskarane produsert solceller fra ca. 1000 gonger meir skitten silisium enn det som brukes i dagens kommersielle produkt. Foto: Fredrik A. Martinsen
Glastråd med silisiumkjerne
Forskarane nyttar ein velprøvd industriell metode som brukast til å produsere fiberoptiske kablar. Kort fortalt består solcellene deira av silisiumfibrar innbakt i glas. Ein silisiumkjerne førast inn i eit glasrøyr med diameter kring 3 mm. Det blir varma opp, slik at metallet smeltar. Samtidig blir glaset mjukt, og kan trekkast nedover til ein tynn tråd. Silisiumet inni glaset følgjer med. I prosessen med oppvarming og uttrekking kan tråden bli 100 gonger tynnare enn utgangspunktet.
Dette er ein velprøvd industriell metode som brukast til å produsere fiberoptiske kablar. Men forskarane ved Institutt for fysikk er dei første som har fått til å lage lange glastrådar med silisiumkjerne – og dei første som har kome på å bruke dette til solceller.
Mindre energibruk
Den aktive delen av solcella er sjølve silisiumstavane som har ein diameter på omlag 100 mikrometer. Foto: Fredrik A. Martinsen
Den aktive delen av solcellen er selve silisiumstavene som har en diameter på ca. 100 mikrometer.
Med denne produksjonsmetoden løyser dei også eit anna problem: Tradisjonelle solceller krev heilt rein silisium. Prosessen med å foredle silisium til reine skiver, wafere, slik vi kjenner dei frå solcellepanela, er omstendelig, energikrevjande og kostbar.
– Med vår metode blir silisiumet sjølvreinsande. Vi kan bruke skitten silisium i utgangspunktet, reinsinga blir ein del av prosessen med smelting og størkning. Det betyr at ein sparer energi og fleire prosessar, seier Ursula Gibson.
Energiforbruket i produksjonsprosessen fram til ferdige solceller ligg kring ein tredel av den tradisjonelle prosessen med framstilling av skiver, eller wafere.
Gibson har i fleire år arbeidd med å finne rimelegare metodar for å framstille solceller, slik at dei kan brukast i større skala. Ho fekk ideen til denne framstillingsmåten etter at ho las ein artikkel av John Ballato ved Clemson-universitetet i Sør-Carolina, som ligg langt framme i forsking mellom anna på fiberoptikk.
Professor Ursula Gibson.
– Eg såg at metoden han skildra også kunne brukast til solceller.
Dei innleia eit samarbeid med Ballato, som også er medforfattar av artikkelen i Scientific Reports. Studentar hospiterte ved Clemson-universitetet, lærte seg produksjonsmetoden og vidareutvikla den.
Silisiumstavar
Deira solceller bygger på såkalla stavdesign, som nyleg er utvikla. Det betyr at ein kan bruke mindre rein silisium, forklarer Martinsen, og supplerer med lynkurs i kva som skjer i ei solcelle: Foton med ulik bølgjelengde absorberast på ulike nivå i silisiumskiva. Der genererer dei frie ladningar, ladningsberarar, som er dei vi vil utnytte for å produsere straum. Men dei må nær overflata, til den såkalla PN-overgangen, for å bli fanga. Om dei ikkje blir fanga, går energien berre med til å varme opp sjølve solcellepanelet.
I eit tradisjonelt solcellepanel kan vegen vere lang frå staden der ein ladning blir generert og til overflata. Ein må derfor ha veldig rein silisium for å kunne fange dei. Men med silisiumfiber i glasstavar får vi eit slikt overgangsfelt rundt heile fiberen. Avstanden frå der ladningen blir generert og dit den kan bli fanga er kort. Da kan ein også fange fleire ladningsberarar, sjølv med mindre rein silisium.
Stipendiat Fredrik Martinsen.
– Stavdesign er enno ikkje vanleg i kommersiell bruk. Til no er den framstilt med avanserte og dyre nanoteknikkar som er vanskelege å skalere opp. Vi bruker derimot velprøvde industrielle prosessar, og får dermed ein langt billegare produksjonsmåte, seier Martinsen.
Potensial
Effekten er førebels ikkje så mykje å skryte av. Dagens solcellepanel, som er hyllevare i butikkane, har ein effekt rundt 18 prosent. Prototypen NTNU-forskarane har utvikla har berre kome opp i 3,6 prosent. Private investorar står ikkje i kø – enno. Men Gibson og Martinsen har likevel tru på potensialet i denne produksjonsmetoden.
– Dette er dei aller første solcellene som er produsert på denne måten, med urein silisium. Da er det ikkje så rart at effekten førebels ikkje er så høg. Det er litt urettvist å samanlikne med konvensjonell produksjon, som har hatt 40 år på seg til å optimalisere alle ledd, seier Martinsen.
– Vi har hatt ei bratt læringskurve, ikkje alle ledd i prosessen er ferdig utvikla. Men utgangspunktet er godt. Vi er dei første som har vist at ein kan lage solceller på denne måten. Resultata er publisert, og prosessen er i gang, seier Martinsen.
Neste skritt er oppskalering, å lage større og meir effektive solceller og sette fleire saman.
Og ein dag bankar det kanskje ein investor på døra.
Den vitskapelege rapporten kan lesast her.
