Det er lykkedes forskere på DTU at udvikle en tandemsolcelle, der bygger på bæredygtige materialer, og som endda slår verdensrekorden i energieffektivitet for denne type tandemsolceller.
Af Tine Naja Berg, kommunikationsparter, DTU
I flere år har forskerne på DTU arbejdet tæt sammen med b.la. Haldor Topsøe på at kombinere to slags solceller og dermed skabe en ny såkaldt tandemsolcelle. Det er nu lykkedes.
»Det er første gang, at nogen har udviklet en funktionel tandemsolcelle, som består af en siliciumcelle med en tyndfilmscelle af det bæredygtige materiale CZTS ovenpå. Fordelen ved den er, at tandemsolcellen vil kunne absorbere energien bedre fra solens stråler end de typer solceller, der dominerer markedet i dag«, forklarer seniorforsker og gruppeleder Jørgen Schou, der er fra DTU Fotonik og i spidsen for forskningsprojektet kaldet ALTCELL.
Han understreger, at idéen om tandemsolceller ikke er ny. Det nye er at basere dem på bæredygtige materialer, som er konkurrencedygtige.
Bæredygtige tyndfilmsceller
Den nye tandemsolcelle er udviklet ved at kombinere en siliciumcelle med et lag af tyndfilm bestående af materialet kaldet CZTS. De fleste tyndfilmsceller i dag er fremstillet af de to grundstoffer cadmium, som er et giftigt tungmetal, og tellur, der er ligeså sjældent som guld. CZTS, der er et forholdsvist nyt materiale, består af stofferne kobber, zink, tin og svovl. Det er stoffer, som er bæredygtige og billige, fordi de er let tilgængelige i naturen.
Størstedelen af de almindelige solceller bliver i dag lavet af silicium, fordi dette grundstof findes i sand og er både billigt og bæredygtigt og kan opnå en høj energieffektivitet, hvilket vil sige, at det kan opfange og omdanne mange af solens stråler til strøm. Nu har forskerne så bygget en tyndfilmssolcelle oven på denne teknologi, som kan øge optagelsen af solens stråler og dermed strømproduktionen.
Jørgen Schou forklarer:
»Kombinationen af CZTS og silicium er god, fordi de tilsammen optager energi fra store dele af lysets spektrum. Tyndfilmen, som ligger øverst, optager de mest energirige fotoner fra den synlige del af lysspektret, og resten af lyset når så videre ned til siliciumlaget, der virker bedst i det infrarøde spektrum«.
Verdensrekord i energieffektivitet
En siliciumcelle har en energieffektivitet på omkring 20 procent. Ved at bygge en CZTS-tyndfilmscelle ovenpå, er det målet at nå helt op på minimum 30 procent.
»Vi forsøger at løse to store udfordringer. Den ene er at integrere CZTS-cellen med en siliciumbaseret bundcelle. Og det har vi løst med stor succes. Vi har nemlig opnået en energieffektivitet på hele 3,9 procent, hvilket faktisk er en verdensrekord for denne type tandemsolceller«, siger Jørgen Schou.
»Den anden udfordring er at forbedre effektiviteten af CZTS-cellen, og der ligger rekorden fra Australien på omkring 11 procent i energieffektivitet. Vi arbejder dog på at komme helt op på omkring 17-18 procent på lang sigt, men der er et stykke vej endnu«.
Det er lykkedes forskerne at bygge tandemsolcellen ud i et, men det har været en udfordring at sætte de to materialer sammen på den mest optimale måde, så begge materialers egenskaber bevares. Der er derfor blevet afprøvet flere forskellige metoder, og i den proces har Haldor Topsøe bl.a. været involveret.
»Vi har været med til at afprøve en skalerbar teknik til at producere CZTS-tyndfilm. Formålet var at teste, om vi kunne fremstille tyndfilmen med nogle af de metoder, vi er eksperter i. Det lykkedes sådan set, men tyndfilmen har endnu ikke gode nok solcelle-egenskaber, og projektet går derfor videre med en anden teknik«, fortæller Søren Dahl, R&D Director Advanced Materials, hos Haldor Topsøe.
Han understreger, at Haldor Topsøe fortsat følger projektet.
»Jeg er imponeret over, hvor langt ALTCELL-projektet er kommet på så kort tid, og det har været utroligt lærerigt for os at deltage. Det bliver derfor interessant at se, hvordan projektet kommer videre og for eksempel får øget tandemsolcellens energieffektivitet«, uddyber han.
Konkurrencedygtigt alternativ
Det er afgørende, at de nye tandemsolceller opnår en endnu højere energieffektivitet, hvis de skal blive et konkurrencedygtigt alternativ til siliciumcellerne. Og nu hvor den første afgørende udfordring er løst, så er Jørgen Schou optimistisk.
»Vi har fundet en teknik til at producere tyndfilmen, så nu handler det om at få produktionen op i stor skala på en billig måde, og når vi får optimeret teknikkerne og øget effektiviteten af både siliciumcellen og CZTS-cellen, er jeg overbevist om, at den her type tandemsolcelle vil blive en vigtig brik på fremtidens solcellemarked. Der vil dog stadig gå nogle år, før vi har løst de sidste udfordringer.«