Foto: Jesper Scheel

Tandemsolceller skal være effektive og bæredygtige

mandag 10 dec 18

Kontakt

Jørgen Schou
Seniorforsker, dr. scient., Gruppeleder
DTU Fotonik
46 77 47 55

Om Atcell

Målet er at udvikle en tandemsolcelle, som er en kombination af en siliciumcelle og en tyndfilmscelle, hvor man benytter et mere bæredygtigt materiale til tyndfilmscellen. Projektet er støttet af Innovationsfonden med 24 mio. kr. og bliver ledet af DTU. Det startede 1. januar 2017 og afsluttes i 2020. Parterne er DTU, Aarhus Universitet, Nanyang Technological University i Singapore, Haldor Topsøe, Inmold og Dansk Solenergi.
Nyt projekt vil bryde grænserne for, hvor meget energi en bæredygtig tandemsolcelle kan producere og erstatte giftige og sjældne materialer med bæredygtige alternativer.

Solceller er de sidste ti år blevet bedre og billigere. Billigere, fordi masseproduktionen i Østen har sendt prisen helt i bund. Bedre, fordi forskere og virksomheder har optimeret teknologien, så man får den maksimale mængde energi ud af en solskinstime.

Så giver det egentlig mening at blive ved med at forske i solcelleteknologi? Det tyder det store forskningsprojekt Altcell på, at det gør. I projektet vil forskere kombinere to slags solceller og skabe en såkaldt tandemcelle. Målet er at fange flere af solens stråler og skabe et alternativ til siliciumcellen, som dominerer markedet i dag. Samtidig vil forskerne undgå at bruge giftige og sjældne grundstoffer.

Tyndfilm af bæredygtige materialer

En tandemcelle består af en siliciumcelle med en tyndfilmscelle ovenpå. Grundstoffet silicium findes i sand og er billigt, stabilt og bæredygtigt og kan opnå en høj energieffektivitet, som er et mål for, hvor store mængder af solens stråler cellen kan lave til strøm. De fleste solceller består i dag udelukkende af silicium og har en energieffektivitet på omkring 20 pct.

”Alle ved, at intet materiale kommer til at slå silicium. Så nu handler det om at bygge noget oven på den eksisterende teknologi, som kan forbedre energieffektiviteten,” siger Alireza Hajijafarassar, hvis ph.d.-afhandling på DTU er en del af Altcell-projektet.

Forskerne forsøger at kombinere siliciumcellen med et lag af tyndfilm bestående af materialet CZTS. Det er et forholdsvis nyt, bæredygtigt materiale, som består af kobber, zink, tin og svovl. Det er stoffer, som findes i rigt mål i naturen og derfor er billige. CZTS har lige nu en påvist energieffektivitet på omkring ti pct., men forskerne forventer at kunne opnå omkring 20 pct. energieffektivitet. med materialet. Hvis det lykkes dem at kombinere CZTS med silicium, skaber de – forenklet sagt – en tandemsolcelle af bæredygtige materialer, der er dobbelt så effektiv som siliciumsolcellen.

Bæredygtighed giver udfordringer

Der forskes allerede i at udvikle tandemceller flere steder i verden, men typisk forsøger man at kombinere silicium med tyndfilmsmaterialet CIGS, som bl.a. består af indium og gallium. Det er stoffer, som DTU-forskerne ønsker at undgå:

”CIGS er effektivt, men det er ikke bæredygtigt at bruge i solcelleproduktionen på den lange bane, fordi indium og gallium er giftige og sjældne grundstoffer, som er steget voldsomt i pris de senere år. Derfor forsøger vi at benytte en tyndfilm, som kun består af lettilgængelige materialer,” siger Alireza Hajijafarassar.

En af de store udfordringer ved projektet er at skabe et barrierelag, som ligger mellem siliciumcellen og tyndfilmen.

”Silicium er ekstremt følsomt over for metallisk forurening, særligt kobber, som bliver brugt i CZTS. Derfor må vi skabe et barrierelag mellem de to celler, som adskiller materialerne fra hinanden og samtidig lader lysets stråler trænge igennem,” siger Alireza Hajijafarassar.

En anden udfordring er at hæve CZTS’s energieffektivitet – en udfordring, som DTU Fotonik allerede begyndte at arbejde med for seks år siden. Dengang var målet at udvikle en ren CZTS-solcelle som et konkurrencedygtigt alternativ til siliciumcellen. Men markedsprisen for et almindeligt 6-kW siliciumsolcelleanlæg inklusive montage er siden 2011 faldet fra omkring 140.000 kr. til 80.000 kr. ifølge tal fra Dansk Energi. De faldende priser spændte ben for fotonik-forskernes plan om at gøre CZTS-solcellen konkurrencedygtig. Derfor forsøger de nu i stedet at kombinere de to teknologier.

”Hvis det lykkes os at kombinere CZTS-tyndfilmen med siliciumcellen, skaber vi et alternativ til den rene siliciumcelle, som kan produceres bæredygtigt og har en højere energieffektivitet end tidligere standarder,” siger Alireza Hajijafarassar.

Ambitiøse mål

Altcell-projektet er et bredt samarbejde mellem forskere fra flere universiteter og virksomheder. En af virksomhederne er katalysatorvirksomheden Haldor Topsøe, der har tre forskere med i projektet.

”Ligesom på vores kerneområde, katalyse, afhænger kvaliteten af tyndfilmssolceller i høj grad af den atomare struktur af de materialer, der indgår i solcellerne. Derfor mener vi, at vi kan gøre en forskel på netop de områder,” siger Rainer Küngas, som er principal scientist hos Haldor Topsøe.

Altcell-samarbejdet tæller ud over ni forskere fra DTU og de tre fra Haldor Topsøe også professorer fra Aarhus Universitet og Nanyang Technological University samt repræsentanter fra to andre virksomheder. Og der er brug for en bred palet af specialviden, understreger Rainer Küngas:

”Der er ingen tvivl om, at dette projekt har ambitiøse mål. En funktionel CZTS-siliciumtandemsolcelle vil være et videnskabeligt og teknologisk gennembrud. Vi har et stærkt hold med kompetencer og baggrunde, der komplementerer hinanden, og som har viljen til at samarbejde. Det har allerede ført til en del lovende resultater,” siger han og fortsætter:

”Vi forsøger at løse to store udfordringer, som aldrig er løst før. Dels at forbedre effektiviteten af CZTS-cellen, dels at integrere CZTS-cellen med en siliciumbaseret bundcelle. Men vi har nogle idéer og metoder, som ikke er prøvet af andre, og som vi håber kan hjælpe os til at præsentere en løsning,” siger Rainer Küngas