Tredje generation af solceller skal banke prisen i bund
Dansk seniorforsker står i spidsen for et forsøg på løse en af de udfordringer, der forhindrer tredjegenerationssolceller i at komme ind på det globale solcellemarked.
plast solceller

»Der er potentiale for, at plastsolcellerne kan produceres enormt billigt,« fastslår Jens Wenzel Andreasen, der her ses ved en eksperimentel opstilling i Schweiz. Foto: Markus Fischer, Paul Scherrer Institute.

Politikere, debattører og alverdens eksperter har i de seneste år haft travlt med at diskutere, hvordan, hvornår og i hvor høj grad vi skal gå over til at bruge vedvarende energikilder frem for fossile brændstoffer.

Om Projektet

Det fireårige projekt har fået bevilget 4,7 millioner kroner af Innovationsfonden ud af et samlet budget på 5,3 millioner kroner.

Også forskere deltager i diskussionen, idet de blandt andet udregner fordele og ulemper ved forskellige energiformer.

Spørgsmålene er mange, og et af dem er: Hvordan gør vi grøn energi endnu grønnere?

Denne udfordring optager seniorforsker Jens Wenzel Andreasen fra Institut for Energikonvertering og -lagring på DTU. Han arbejder med plastsolceller, som man kalder for tredjegenerationssolceller.

»Der er potentiale for, at plastsolcellerne kan produceres enormt billigt, både i forhold til kroner og ører og i forhold til energiforbruget,« fortæller seniorforskeren.

De første to generationer af solceller pryder i dag cirka 100.000 registrerede solcelleanlæg i Danmark. Disse er fordelt på blandt andre private husstande, erhvervs- og offentlige bygninger samt marker.

Den samlede elproduktion fra solcellerne svarer til cirka to procent af det samlede elforbrug i Danmark.

Dansk-kinesisk samarbejde

Senest har Jens Wenzel Andreasen stået i spidsen for et forskningsprojekt, som Innovationsfonden har støttet med 4,7 millioner kroner.

Danmark »stillede op« med to forskere samt to ph.d.-studerende, som blandt andet blev sendt på et udvekslingsophold hos forskerholdets kinesiske samarbejdspartnere. Projektet blev skudt i gang i 2012 og endeligt afsluttet i 2016.

Målet var at tage et stort skridt mod en miljøvenlig produktion af tredjegenerationssolceller i Danmark.

Effektivitet og holdbarhed er en udfordring

Langt den største del af verdens samlede solcelleanlæg består i dag af førstegenerationssolceller, det vil sige solceller, som er baseret på silicium.

En mindre del af solcellemarkedet udgøres af tyndfilmssolceller, der bliver kaldt andengenerationssolceller.

Tredjegenerationssolceller, som blandt andet omfatter plastsolcellerne, produceres endnu kun i begrænset omfang kommercielt.

Forskellige typer solceller

Solceller, der er baseret på silicium, bliver kaldt førstegenerationssolceller. De er mere effektive end andre typer solceller og udgør langt den største del af alle de solceller, der bliver solgt på markedet.

Tyndfilm-baserede solceller bliver kaldt for andengenerationssolceller. De udgør en mindre del af solcellemarkedet.

Der er flere solcelletyper, som man kalder for tredjegenerationssolceller. En af dem af plastsolcellerne. Tredjegenerationssolceller produceres endnu kun i begrænset omfang kommercielt.

Kilde: Jens Wenzel Andreasen

Hverken tyndfilmssolceller eller plastsolcellerne er lige så effektive som siliciumsolcellerne. Plastsolcellerne har derudover en kortere holdbarhed end de andre solceller, og det er blandt andet derfor, det kommercielle gennembrud lader vente på sig.

Mange forskere arbejder imidlertid på højtryk for at øge plastsolcellernes effektivitet og holdbarhed, og hvis de får succes, kommer der efterspørgsel på masseproduktion af tredjegenerationssolceller.

I så fald vil det blive nødvendigt at løse endnu en udfordring, fastslår Jens Wenzel Andreasen.

Giftige opløsningsmidler er et problem

»Nogle af de materialer, der giver de bedste resultater med hensyn til effektivitet, er kun fremstillet i små mængder. Og mange af dem er kun opløselige i giftige opløsningsmidler, så det bliver svært at opskalere produktionen, der ellers kun kræver simpelt trykkeudstyr og derfor kan sættes i gang selv i et tredjeverdensland med begrænset infrastruktur,« fortæller DTU-forskeren.

»Der vil være en risiko for, at en sådan produktion kan afstedkomme en meget ubehagelig forurening i vandmiljøet, hvis man ikke har 100 procent styr på sine processer,« tilføjer Jens Wenzel Andreasen.

Sammen med sine kolleger har han forsket i, hvordan man kan undgå at bruge klorerede og aromatiske opløsningsmidler til trykning af det aktive lag i plastsolcellerne. De danske forskere satsede på at erstatte de giftige midler med ganske almindeligt vand og alkohol.

solceller plast

En rulle af den færdige plastsolcelle. De grønlige baner er det fotoaktive polymerlag. Den lyse, periodiske struktur er en sølvelektrode. (Foto: Markus Hösel/DTU)

Forskede i nanostrukturen

»I stedet for at have materialerne i en opløsning forsøgte vi at få dem omdannet til nanopartikler og have dem suspenderet i vand. På den måde arbejdede vi med suspensioner i stedet for opløsninger,« forklarer Jens Wenzel Andreasen. Han fortsætter:

»Vi kom et ret godt stykke ad vejen med at få et meget bedre indblik i nanostrukturen i solcellerne, og vi udviklede en metode til at undersøge, hvordan nanostrukturen bliver dannet i de færdige celler. Vi benyttede den meget intense røntgenstråling fra synkrotroner i Schweiz og Tyskland til undersøgelserne, og det gav os spændende ny viden, som vi blandt andet kunne publicere i tidsskriftet Nanoscale.«

Synkrotron

En synkrotron er en ringformet accelerator, hvori elektroner eller positroner bevæger sig med relativistiske hastigheder. I periodiske magnetstrukturer forskellige steder i ringen dannes der røntgenstråling med høj intensitet, som udsendes i meget parallelle strålebundter.

Disse egenskaber gør synkrotronstråling særlig velegnet til undersøgelser af materialer med meget høj opløsning i 3D. Synkrotronen i Lund, der for tiden er under indkøring, vil blive verdensførende inden for 3D-billeddannende røntgenundersøgelser.

Kilde: Jens Wenzel Andrasen.

Publikationerne har været en af forudsætningerne for, at Jens Wenzel Andreasen siden har modtaget en stor bevilling fra det Europæiske Forskningsråd, så han kunne sætte gang i et nyt projekt for at bygge videre på sin plastsolcelleforskning.

Solcellerne kortsluttede

Der er da også brug for at fortsætte arbejdet, eftersom de fire danske forskere gjorde fremskridt, men ikke nåede de resultater, som de havde håbet på:

»Vi fik fremstillet solceller, der virkede. Men de kom ikke til at virke godt,« fortæller Jens Wenzel Andreasen.

»De kortsluttede internt på grund af nanostrukturelle fejl. Vi kunne dog vise, hvorfor de fejlede, og vi kunne også udpege metoder til at få dem til at virke,« siger seniorforskeren.

»For virkelig at forstå sammenhængen mellem solcellernes funktion og deres nanostruktur har vi brug af at kunne undersøge dem med en endnu højere opløsning. Det håber vi på at kunne opnå på den helt nye synkrotron, MAXIV, som netop er åbnet i Lund, lige på den anden side af Øresund.«

Nettomålerordning satte gang i solcelleproduktionen i Danmark

På den danske side af Øresund kan man i Dansk Solcelleforening imidlertid konstatere, at solcellebranchen »har ligget underdrejet« i de seneste par år.

Tilbage i 2012 så det ellers ud til, at branchen var på vej mod en gylden alder, da den daværende klima-, energi- og bygningsminister Martin Lidegaard (R) gjorde det attraktivt at investere i solcelleanlæg.

Den såkaldte nettomåleordning gav ejerne af solcelleanlæg op til seks kilowatt mulighed for at lagre den overskydende energi fra anlægget på det offentlige elnet og bruge den senere uden at skulle betale afgifter og moms.

energinet solcelleparker statistik

Der var gang i solcelleudbygningen i Danmark i 2012-2013, men siden er den gået i stå. Stigningen i slutningen af 2015 skyldes et par kæmpestore solcelleparker, der havde været tilmeldt en af de gamle ordninger, men først blev tilsluttet senere. (Graf: Energinet.dk)

Med ordningen blev tilbagebetalingstiden af investeringen i et solcelleanlæg så lav, at langt flere danske husejere end forventet valgte at satse på solenergi. Det var godt for såvel solcelleejernes økonomi som klimaet. Til gengæld var det skidt for statskassen, da det hurtigt blev klart, at den ville komme til at mangle milliarder i tabte afgiftsindtægter.

»Politisk slingrekurs uden sidestykke«

Derfor prøvede Martin Lidegaard at justere ordningen på en måde, så det på den ene side blev mindre attraktivt at investere i solenergi, mens man på den anden side ikke kvalte branchen totalt.

I løbet af få måneder måtte Lidegaard ændre reglerne flere gange, fordi der blev opdaget forskellige huller i loven, han ikke havde tænkt på.

Således udviklede lovgivningen sig til en farce, der blev kaldt for »en politisk slingrekurs uden sidestykke, siden kong Christian VII regerede landet enevældigt«.

Modsatrettede politiske mål

Til sidst valgte myndighederne at sænke og kontrollere tempoet af solcelleudbygningen i Danmark ved at udbyde puljer med et begrænset antal megawatt, og siden er solcellevæksten stort set gået i stå, viser de seneste statistikker:

»Politikerne bliver nødt til at lave om på vores skattesystem, som er skruet sammen på en måde, hvor en stor del af statens indtægter kommer fra afgifter på fossil energi. For vi kan ikke både afvikle de fossile brændstoffer og forvente de samme skatteudgifter,« siger Flemming Kristensen, formand i Dansk Solcelleforening.

»Alternativt skal vi lave målsætningen om en overgang til vedvarende energi om og lade klimaet gå fløjten,« tilføjer han.

Teknologisk udvikling kan sætte gang i en solcellebølge

Selv om den danske solcellebranche står i stampe, glæder Flemming Kristensen sig over, at solcelleenergien bliver billigere og billigere på grund af den teknologiske udvikling:

»Det positive er, at vi allerede nu har en teknologi, der næsten ikke efterspørger nogen form for tilskud. Så på sigt vil det være svært at bremse solcelleudviklingen, der i øvrigt giver god mening miljømæssigt, fordi solenergien bliver produceret i dagtimerne, hvor der er behov for mere energi,« siger formanden.

»Forskerne har jo peget på, at det optimale energimiks i et land som Danmark vil være cirka 70-80 procent vind og 20-30 procent sol. Men lige nu står sol kun for et par procent.«