• I-Ju Chen, Yang Chen och Xulu Zeng forskar kring bättre sätt att fånga solljus med solceller gjorda av nanotrådar.
    I-Ju Chen, Yang Chen och Xulu Zeng forskar kring bättre sätt att fånga solljus med solceller gjorda av nanotrådar.

Soljägarna – med kunskap att fånga ljuset

En ökad framtida användning av solceller kräver högre effektivitet och lägre produktionskostnader. Innovativ forskning från det tvärvetenskapliga centret NanoLund vill optimera nanotrådar för att mer effektivt tillvarata solljus. Möt tre unga internationella forskare som jagar solen inom ramen för projektet PhD4Energy.

Den solenergi som når jorden varje dag motsvarar mer än 15 000 gånger den elektricitet som vi behöver i vår vardag. Vi skulle kunna lösa vårt stora problem med att hitta alternativ till olja, kol och gas om vi kunde fånga solens strålar på ett smartare sätt. På NanoLund vid Lunds universitet framställs extremt små och tunna nanotrådar, en procent av ett hårstrå i tjocklek. Nanotekniken, som skulle kunna förändra våra liv på många sätt i framtiden, handlar om att styra små material ner till atomnivå. NanoLund är världsledande i att utnyttja nanostrukturens egenskaper och att tillverka nanotrådar billigt och effektivt.

Xulu Zeng, I-Ju Chen and Yang Chen är alla hängivna forskare från Asien som tillbringat de senaste fyra åren vid NanoLund inom ramen för det EU-finansierade projektet PhD4Energy. Projektet samlar tolv internationella forskare som arbetar med nanotrådar och nanoteknik. De tre soljägarna är nu på spåret av bättre sätt att fånga solljus med solceller gjorda av nanotrådar.

Xulu Zeng arbetar med att framställa halvledare av nanotrådar. Halvledare används i de flesta typer av solceller i dag och är ett material som kan utvinna elektricitet ur ljus.

Forskarna i Lund hade tidigare ett rekord i effektiva solceller gjorda av nanotrådar när de lyckades omvandla 13,8 % av solljuset till elektricitet. Det var en stor förbättring av det tidigare rekordet och drog till sig stor uppmärksamhet från forskare och företag över hela världen.

– Vi har nyligen ökat effektiviteten på våra enheter till 15 %. Hittills består våra solceller av en enda PN-övergång av hög kvalitet. Men en enda övergång kan bara ta emot en mindre del solenergi så det finns en gräns för hur effektiv en solcell med bara en övergång kan bli, förklarar Xulu Zeng och fortsätter:

– Vårt nästa mål är att införa en tandemövergång i nanotrådarna, vilket är den vanligaste utformningen av de mest effektiva solcellerna av alla slag. I tandemsolceller är flera övergångar seriekopplade så att olika delar av solens spektrum kan samlas upp mer effektivt av varje övergång. Tandemutformning förväntas öka solcellernas effektivitet till mer än 35 %.

Det är kombinationen av olika material i varje övergång som gör att de nanouppbyggda solcellerna kan samla in en större del av solenergin.

– Vårt mål just nu är att ta steget från forskning till framställning av en hel solcell. Jag tror att vi kan nå målet om tre år och förhoppningsvis kan Sol Voltaics åta sig tillverkningen. Så fort tekniken är på plats skulle det bli en bra övergång från labb till produktion.

Prognoserna är entydiga: Förbättrad solcellsteknik innebär lägre produktionskostnader och gör att vi i högre utsträckning kan tillgodose vårt energibehov genom solstrålar som är gratis, oändliga och miljövänliga. Även priserna för solceller har minskat betydligt under de senaste tjugo åren och kan nu konkurrera med andra energikällor.

NanoLunds renrum är ett laboratorium där nanostrukturer framställs.

NanoLunds renrum är ett laboratorium där nanostrukturer framställs.

Annan forskning som intresserar Xulu Zeng och hans kollegor är försök att flytta nanotrådar från substratet de odlas på till ett annat, främmande substrat, som kan bestå av billigare material som kisel, glas eller plast. Man lägger då in nanotrådarna i en plastfolie som gör att den aktuella nanoenheten blir mycket lättare, mer flexibel och böjbar. Det innebär att man inte längre är låst vid kiselplattor som är den vanliga utgångspunkten för att bygga solceller, så möjligheterna ökar. Nanotrådsfolien kan enkelt appliceras på olika ytor, t ex sidoväggar på hus, mobilelektronik och bärbara enheter. Med en sådan ”klipp-och-klistra”-teknik för nanotrådar kan kostnaderna minska ytterligare genom att substratet kan återanvändas.

Men kommer solceller av nanotrådar att ta över gentemot de av kisel?

– Det är osäkert. De har olika egenskaper och olika lämpliga tillämpningsområden. Trots att det finns en konkurrens så kan man tänka sig att kombinera dem så att man kan dra nytta av deras olika fördelar.

I-Ju Chen deltar också i utvecklingen av framtidens energiutvinning genom att försöka optimera förmågan att tillvarata energin som kommer från solen.

I dag blir solceller väldigt varma när de samlar in solljus. Det visar att mycket av den insamlade solenergin inte omvandlas till elektricitet utan enbart genererar värme. Det skapar även ett annat problem genom att solcellers effektivitet minskar när de blir varma.

I-Ju Chen och hennes kollegor undersöker hur det uppfångade ljuset mer effektivt skulle kunna omvandlas till energi. Fenomenet de studerar kallas ofta ”hot-electron solar energy conversion” eftersom det handlar om en insamling av elektroner som är väldigt heta på grund av upptagning av ljus.

I-Ju Chen arbetar i NanoLunds renrum som är det laboratorium där nanostrukturer framställs. Frågan är: Kan forskarna förändra tillvägagångssättet så att en större del av ljusenergin kan omvandlas till elektricitet och en mindre del till överskottsvärme?

– Vi använder utrustning i renrummet för att framställa solceller i nanostorlek för våra mätningar. Enheten för insamling av heta elektroner utgår från en nanotråd men består av en uppsättning olika material. Vårt mål är att så lite som möjligt av solenergin ska förloras till värme.

På lång sikt räknar forskarna med att kunna öka effektiviteten i omvandlingen av solenergi upp till 60-85 % *

Men hur växer nanotrådar? Den ursprungliga metoden kallas epitaxi. Det är en långsam och mycket dyr process där man framställer extremt tunna trådar genom att placera guldpartiklar på ett kristallint substrat, en slags halvledarkristall på en bakplåt.

En annan teknik som används i Lund i dag är aerotaxi varigenom guldpartiklar och halvledarmaterial sprutas in i en ugn med en värme på 400⁰ Celsius. Där kan de sväva fritt. Vad som sedan kommer ut ur ugnen är kristallina nanotrådar som är perfekta i form och mycket snabbare utvecklade än i den ursprungliga metoden.

Aerotaxi är nyckeln till industriell tillverkning av solceller av nanotrådar och det var i Lund som metoden togs fram. NanoLund är i dag världsledande i tillämpningen av tekniken.

De tunna nanotrådarna byggs atomlager för atomlager för att styra när ett material börjar och ett slutar i nanotrådarna. Då kan man se vilka olika egenskaper de har och olika delar kan vara gjorda av helt olika material. För att effektivisera så mycket som möjligt använder man vid NanoLund datorsimulering för att kontrollera vilka kombinationer som fungerar bäst. För att verkligen få ut maximal effekt ur solstrålarna i solcellen måste alla egenskaper i materialet vara rätt. Det kräver mycket noggranna undersökningar av materialet samt avancerad elektrisk och optisk modellering. Det är det Yang Chen arbetar med.

– Vi behöver optimera tråden för insamling av ljus, så vi försöker förändra avståndet mellan nanotråden och diametern i datorn för att åstadkomma det, och vi försöker även förbättra användningen av materialet. Den andra aspekten är att vi kan optimera kombinationen av material för att samla in ljus.

Experiment kostar mycket, så forskarna använder noggrann modellering för att få fram vilken modell som kommer att fungera bäst.

– Vi måste veta vart vi ska, så att vi inte slösar pengar. Tydliga anvisningar för proven gör experimenten mer effektiva.

Hur kommer vi att använda solenergi i framtiden? Realistiskt sett kan vi använda den för många av våra vardagliga behov men vi kan inte göra oss helt beroende av den. Ibland är det molnigt och det kommer alltid att finnas nätter. I soliga länder över hela världen har solenergi blivit den billigaste energikällan, till och med billigare än el som kommer från vindkraft och fossila bränslen. Yang Chen har en vision av hur vi kan hjälpa varandra genom ett världsomspännande nätverk.

– Tänk dig att när solen skiner i USA så skulle det kunna spridas till länder där det just då är natt. Vi skulle kunna lagra och återanvända. Det mest stadigvarande är inte solcellen utan själva solen.

 

Referenser:

  • Ross R T and Nozik A J 1982 Efficiency of hot‐carrier solar energy converters J. Appl. Phys. 53 3813–8
  • Würfel P 1997 Solar energy conversion with hot electrons from impact ionisation Sol. Energy Mater. Sol. Cells 46 43–52
  • Curzon F L and Ahlborn B 1975 Efficiency of a Carnot engine at maximum power output Am. J. Phys., 43 1 22-24

 

Program för Lunds universitets Hållbarhetsvecka 23 – 28 april 2018

Se även