Soleklar bane
I godvær stormer de ut fra startstreken, elektronene som skaper strøm i solceller. Nå ryddes løypa for brysomme hinder.
Fra sør sender vårsola kaskader av lys over en dobbel glassfasade på campus Gløshaugen i Trondheim. Her lager solcellepaneler strøm i en «solvegg», i sin tid innviet med festivitas og ministerbesøk.
Gjennom kontorvinduer like ved treffer lyset en mann som studerer den grå hverdagen i solcellers indre. Under den dypblå overflata tvinges elektronene ut på løpetur hver gang sola skinner. En prøvelse for fysikkens små arbeidsmaur!
Vellykket «stafettveksling» gir deg strøm: Sollyset sparker løs et elektron som «hopper» til en sølvtråd oppå solcella. Dette setter i gang en «elektronstafett» i ledningen ut til brukeren. Bak seg etterlater elektronet et «hull». Dette fylles av et underliggende elektron som igjen etterlater seg et hull. Slik «beveger» hullet seg ned mot baksida av solcella.
Hinder 1: Et elektron hektes fast i en defekt på grenseflaten og kommer ikke løs før et hull «kommer forbi». Elektronet og hullet forenes, og energien går tapt.
Hinder 2: Elektrisk motstand i grenseflaten hindrer elektronet i å komme inn i sølvtråden.
Illustrasjoner: Knut Gangåssæter
Snubler i stafettspurt
Friis sikter til fallgruver som ligger i det han kaller «grenseflatenes verden». Men først får jeg høre om de ørsmå sliterne som trofast stiller til start for å gjøre sollys om til strøm. Elektroner er ladde partikler. Normalt bor de i skallet til atomer. Denne gjengen holder hus i silisiumatomer som utgjør de nedre og midtre etasjene i solceller.
Levende forteller Friis om kicket elektronene får når solenergien treffer dem. Sola sparker dem ut av atomskallet og av gårde på første etappe i en stafett! Tent spurter elektronene mot sølvtrådene på taket av solcella. Så fortsetter stafetten videre gjennom ledninger helt fram til brukerne. Og jo flere lag som kommer i mål, jo mer strøm får systemet levert.
– Men mange av elektronene snubler rett før de forlater solcella og blir ikke til nyttig strøm, sier Jesper Friis og vrir laptopen mot meg.
– Med mikroskopbildene du ser her, kan vi bidra til å forenkle den vanskelige delen av løypa. Vi vil hjelpe ryddemannskapene med å fjerne hindre og fallgruver, så flere elektroner enn nå kan få gjort jobben sin i framtidige solceller. Til glede for deg og meg.
Støttet fra Brüssel
Guiden min til mikroverdenen er doktor i fysikk og SINTEF-forsker. Han klikker fram et nytt bilde på skjermen, også det fra et elektronmikroskop. Så forteller han at en stor solcelleprodusent var på telefonen forleden.
– De vil utvikle solceller som skal fange mye mer av lyset fra sola. Takket være det vi har fått ut av disse bildene, ønsker de å ha oss med på laget.
Det er i EU-regi Friis og SINTEF-kollegene hans saumfarer stafettløypa i solcellene. Prosjektet HiperSol har deltakere fra sju land og et budsjett på drøye 35 millioner kroner. Bildet på skjermen foran meg er ett av SINTEFs bidrag. Det likner på kulissene i «Karius og Baktus», synes jeg. Men, nei, dette er fra stafett-traseen, forsikrer Friis.
Grenseflatenes verden
Bildet viser noen av hindrene i løypa. Du ser inn langs grenseflaten mellom materiallag i ei solcelle. Hele prosjektet handler om grenseflater.
– Grenseflater?
– I silisiumet i solcellas indre ligger atomene mer eller mindre velordnet. Men i grenseflatene – der det øverste atomlaget møter andre stoffer – brytes mønsteret. Et fascinerende tema. Viktig for alt fra oljesøl i vann til korrosjon på aluminium.
– Hvorfor er dere så opptatt av grenseflatene i solceller?
– De har vært flaskehalser i arbeidet med å få mer energi ut av solceller. 13–15 prosent av sollyset blir strøm i standard solceller, 22–24 prosent i de beste konvensjonelle solcellene. Trolig går det an å øke effektiviteten til dagens generasjon solceller med to–tre prosentpoeng. HiperSol skal bidra til å oppnå det ved å kombinere informasjonen fra mikroskopbildene med avansert teoretisk modellering.
Hinder nummer 1
Friis henter ei solcelle og peker på den fra sida. En verbal reise starter, inn til grenseflatene og de to «elektronfellene» som SINTEF har fokusert i HiperSol.
Den underliggende grå skiva jeg ser, er solcellas aktive del av silisium. Jeg lærer at det øverste atomlaget har blottlagte atomskall på toppen – fristende «fluktstoler» for de frie elektronene. Så får jeg høre om det passiviserende material-laget som legges over for å okkupere hvilested-ene – før «stafettløperne» blir parkert der.
Her ligger «felle 1»: – Materialdefekter gir frie elektroner flere stoler å dumpe ned i. Der blir mange satt på vent og bryter løpet. Elektronmikroskopet har gitt oss unik viten om beskaffenheten til disse fristedene, sier Friis.
Hinder nummer 2
Neste leksjon handler om de supertynne elektriske sølvtrådene – kontaktene – som ligger oppå solceller og fører strømmen til ledninger. Trådene lages av sølvpasta som varmes opp. Glass i pastaen fjerner det passiviserende laget under. Sånn får trådene nærkontakt med silisiumskiva.
– Men glasset ender mellom tråden og skiva. Dette gir elektrisk motstand, det vil si hindre som holder mange elektroner tilbake. To av prosjektpartnerne våre har jobbet med en ny sølvpasta. Den minsker motstanden. Resultater fra arbeidet vårt i HiperSol forklarer hvorfor. Dermed vet vi mer om hva som skiller gode fra mindre gode pastaer.
– Hvordan kan mikroskopbilder brukes til å rydde i stafettløypa?
– Etter å ha tolket bildene lager vi datamodeller av traseen. Her kan vi endre produksjonsprosessene bak det passiviserende laget, eller størrelsen på sølvpartiklene i pastaen, og se på PC-en hvordan løypa blir. Slik kan vi kanskje, på litt sikt, finne mer effektive materialer til disse komponentene også, sier Friis avrundende.
På hjemveien ser jeg solveggen ligge i skygge. Synd for strømbrukerne. Men de ørsmå, svette stafettløperne unner jeg en fristund av hele mitt hjerte!
