Ny solcelle slår den tidligere verdensrekord: »En lille milepæl«
Men der er stadig en række udfordringer, før den nye solcelle kan anvendes i solcelleparker, lyder det fra flere forskere.
solceller_verdensrekord_optimized

I dag fylder de tradtionelle Silicium-baserede solceller mest i solcellebilledet, men solceller baseret på både silicium og perovskit udvikler sig med en utrolig hastighed. Foto: Shutterstock

I dag fylder de tradtionelle Silicium-baserede solceller mest i solcellebilledet, men solceller baseret på både silicium og perovskit udvikler sig med en utrolig hastighed. Foto: Shutterstock

Det er de færreste, der kan bryste sig med, at de har slået en ‘verdensrekord’.

Men ikke desto mindre er det, hvad et tysk forskerhold netop har formået. De er nemlig lykkedes med at skabe den - indtil videre - mest effektive perovskit/silicium-solcelle, viser et nyt studie publiceret i tidsskriftet Science.  

For at slå den lidt atypiske verdensrekord har forskerne konstrueret en mindre solcelle af mineralerne perovskit og silicium.

Solcellen er 1x1 centimeter og kan konvertere knap 30 procent af Solens stråler til energi, 29,15 procent for at være helt præcis.  

Det er omtrent et procentpoint højere, end hvad der er set tidligere, men dertil kommer, at den nye solcelle er langt mere stabil.

Professor Morten Madsen kalder det en »lille milepæl«, at det nu er lykkedes at hæve energibarren og levetiden på en af de nyere solcelleteknologier, der på blot få år er blevet et varmt emne i forskningsverdenen.

»Det er et godt forskningsstudie, hvor forskerne har tilføjet et ultratyndt lag, som forbedrer effektiviteten og stabiliteten af solcellen. Det er en solcelleteknologi, der er blev mere effektiv de seneste år, og effektiviteten er nu også noget højere, end hvad de traditionelle silicium-solceller kan tilbyde i max effektivitet,« siger Morten Madsen, der er professor MSO forskningsleder på Mads Clausen Instituttet på Syddansk Universitet. 

Han har ikke været med i studiet, men har læst det igennem for Videnskab.dk.

Traditionelle solceller kommer ikke højere op

Solceller er spået til at blive en af de grønne bæresøjler i fremtidens grønne energisystem, og der er i årevis blevet forsket intensivt i at vride så meget energi ud af Solens stråler som overhovedet muligt. 

I den sammenhæng er det imidlertid vigtigt at slå fast, at der forskes i en underskov af solcelleteknologier. Og hvis du vil se alle rekordindehaverne, er der faktisk samlet en liste over de forskellige solceller teknologier, som du kan dykke ned i her - eller du se et par af de populære teknologer i faktaboksen. 

Flere slags solceller

Der findes en række forskellige solcelleteknologier, men er fire af dem, man hører meget om: 

Silicium-baserede solceller, som er langt de mest udbredte, kan udnytte op til 20 procent. Har en lang levetid på over 20 år, men er dyre i forhold til de nye udgaver.  

Perovskit-baserede solceller er oppe på omkring 25 procent effektiv sollys-høst. Har til gengæld kort levetid på under et år.   

Organiske solceller ligger på omkring 18 procent. Derimod er de miljøvenlige og billige i forhold til de andre solcelleteknologier.

Perovskit/silicium-tandemsolcellerne er de solceller, forskerne har arbejdet med i Science-studiet, og i laboratoriet har det været muligt at nå godt 30 procent. De har dog en meget kort levetid, og den høje effektivitet er i laboratoriet. 

Kilde: Solcelle-teknologien bakser med fire hovedproblemer

Men når Morten Madsen henviser til de traditionelle solceller, er det dem, der går under navnet silicium-baserede solceller.

De er med længder de mest udbredte, og du ser dem blandt andet på hustage. Disse solceller konverterer op til 20 procent af Solens stråler til energi, men effektiviteten ser ikke ud til at kunne komme meget højere op, ifølge forskerne Videnskab.dk har talt med.

Det er her, de nye solceller kommer ind i billedet. 

En teknologi i rivende udvikling

Det forholder sig nemlig anderledes med den solcelleteknologi, som det tyske forhold i Science-studiet arbejder med - altså dem med det mundrette navn perovskit/silicium-solceller. 

På blot 8 år er det lykkedes forskere rundt om i verden at hæve effektiviteten fra under 10 procent til nu tæt på 30 procent, hvilket er uden fortilfælde, lyder det fra seniorforsker Jørgen Schou.

»Man skal huske på, at de høje tal er i laboratoriet, men det er fantastisk hurtigt, og derfor retter flere nu øjnene mod perosvskit-solceller,« siger Jørgen Schou, der er seniorforsker ved Institut for Fotonik på DTU og bekræfter, at der er tale om en verdensrekord for netop den solcelleteknologi.  

Han mener, ligesom Morten Madsen, at de nye resultater er en milepæl og hæfter sig særligt ved stabiliteten. Når man taler om en stabil solcelle betyder det, at den kan suge Solens stråler over flere år, uden den taber evnen til at konvertere Solens stråler til strøm betydeligt. 

»Effektiviteten er ikke steget voldsomt, selvom det er flot, at de er ved at nå 30 procent. Men det, der er rigtig godt gået, er, at den nye solcelle er blevet mere stabil, fordi der er blevet tilføjet ultratyndt kontaktlag. Selv når solcellen har været ude i 300 timer, er effektiviteten kun faldet med fem procent, og det er en klar forbedring,« siger Jørgen Schou, der er seniorforsker ved Institut for Fotonik på DTU.

Bygges i flere lag

Men hvad er det, der er så specielt ved de nye solceller?

 perovskite

Som det er illustreret, så ligger laget af perovskite næsten lige under glasset på solcellen, og det ultratynde kontaktlag er så lagt mellem glasset og perovskite-laget, hvilket har gjort de nye solceller mere stabile. Foto taget fra studiet 'Perovskite Tandem Solar Cells'.

Groft skitseret er perovskit/silicium-solcellerne, som forskerne arbejder med i studiet, opbygget i flere lag - blandt andet med et lag af perovskit. Den slags solceller kaldes for ‘tandemsolceller’ (se den mere tekniske forklaring i faktaboksen).

Forskerne har tilføjet et ultratyndt lag

Tandemsolceller består af flere lag, nærmest som en lagkage, og det smarte består i, at man kan få spændingen i solcellerne op ved at lægge to celler ovenpå hinanden. 

Nederste lag er stadig silicium som i de traditionelle solceller, men i tandemsolceller lægges et lag af perovskit oven på (se illustrationen længere nede i artiklen)

Det, forskerne helt konkret er kommet i mål med i Science-studiet, er at tilføje et ultratyndt kontaktlag på solcellen, mellem elektroden og laget af perovskit.

Det ultratynde kontaktlag justerer elektrodens energiniveau, således at den matcher perfekt energiniveauet i perovskit solcellen, og dermed kan ladningsbærere transporteres ud af cellen uden tab.

Det øger samtidig stabiliteten af hele solcellen.

Kilde: Morten Madsen, SDU/Jørgen Schou, DTU/ Monolithic perovskite/silicon tandem solar cell with >29% efficiency by enhanced hole extraction​, Science. 

Perovskit er betegnelsen for stoffer med en krystalstruktur, der har vist sig at være effektive til at omdanne Solens stråler til strøm i kontakten. 

Det kan lægges på en glas- eller metaloverflade i et lag på bare en mikrometer i tykkelse, hvilket er en af de ting, der kan gøre selve produktionsprocessen billigere.

Og det billige materialer kombineret med en hastigt stigende effektivitet er et par af grundene til, at forskerne nu har fået øjnene op for perovskit/silicium-tandemsolceller, påpeger Jørgen Schou.

»Jo højere effektivitet, man kan få med solcellerne, desto mere energi får man til at sælge og dække udgifterne til at købe land at sætte solcellerne op på, til at bringe strømmen ind i vores kredsløb og til at vedligeholde solcellerne,« forklarer seniorforsker Jørgen Schou. 

Stadig lang vej til industrien

Men, for der er et men, som med alle nye teknologier.

De nye tal stammer fra laboratorieforsøg og ikke den virkelig verden, påpeger energiforsker Gorm Bruun Andresen overfor Videnskab.dk. 

»Perovskit-tandemsolceller er et hot-topic i forskningsverdenen, og det er lykkedes at hæve effektiviteten gevaldigt på blot få år. Men den store udfordring er stadig, at det ikke er særlig stabilt i stor skala, hvor det muligvis kun kan køre et par uger. Her kan de traditionelle solceller altså holde over 20 år,« vurderer Gorm Bruun Andresen, der er lektor på Institut for Ingeniørvidenskab ved Aarhus Universitet (AU).

Selvom teknologien viser lovende takter, er der altså et stykke vej, før man kan løfte de nye forskningsresultater ud i store solcelleparker. 

»For at kommercialisere den solcelleteknologi, skal man have stabiliseret levetiden yderligere og skaleret det op. Samtidig skal det kunne betale sig at give ekstra for en ny teknologi af solceller, og det mener man, at det kan omkring en energieffektivitet på 30 procent. Så det nye studier viser, at det nu er effektivt nok, til at det kan betale sig at investere i, men det er ikke stabilt nok,« vurderer Gorm Bruun Andresen.

Jørgen Schou stemmer i:

»Det nytter ikke noget, at man har en celle, der kun taber 5 procent på 300 timer, men så falder til 50 procent i løbet af 1 år. Det er stadigvæk svagheden, og det har man ikke fået løst med det her arbejde, men det er blevet bedre.« 

Der skal fokus på miljøet

Det smarte ved solceller, der anvender perovskit, er, at det som sagt er et stof, man kan bruge til at fremstille tynde og billige solceller, som samtidig forvandler en fin andel af Solens stråler til strøm.

Men ifølge Morten Madsen kæmper man stadig med den udfordring, at nogle af materialerne i perovskit-tandemsolceller er dårlige for miljøet.

De højeffektive perovskite solceller indeholder nemlig små mængder bly. Selv om der forskes i at erstatte de materialer, er der stadig ikke fundet en løsning, hvor effektiviteten ikke daler.

»Jeg er fortaler for at bruge udelukkende grønne materialer i industrielle solceller, og det skal vi arbejde hen imod med nye solcelleteknologier. Men derfor er det stadig vigtigt at forstå, på forsknings- og udviklingsniveau, hvordan man øger effektiviteten i solceller, og sådanne studier hjælper til dette,« mener Morten Madsen.

Han forsker i organiske solceller, som du kan læse mere om her. 

Den analyse deler Jørgen Schou, der på DTU forsker i, hvordan man kan lave perovskite-tandemsolceller ud af mere bæredygtigt materiale.

»Først og fremmest er holdbarheden med perovskit-tandemsolceller stadig et problem, men derudover har man ikke løst, hvordan man undgår bly, så der er stadig en række udfordringer. Men studier, som vi har set i Science, gør os en hel del klogere på teknologien.«

Sol og vind skal vise vejen

Gorm Bruun Andresen uddyber til Videnskab.dk, at den nye ‘verdensrekord’ er et fint billede på solcelleteknologiens udvikling over de seneste 10-15 år, både teknologisk og prismæssigt.

Effektiviteten bliver nemlig gradvist forbedret, og samtidig er prisen på solceller raslet ned. Det betyder, at solcelleparker i dag opføres uden statsstøtte, og ifølge energiforskeren kommer solenergi kun til at vokse i fremtidens energisystem.

»Jeg er medforfatter på et nyt studie, der netop har vist, at den billigste og mest effektive måde at nå en klimaneutral energisektor i Europa er ved at investere massivt i vind- og solenergi, og det billigste vil samtidig være at komme i gang nu.«

Det studie, som Gorm Bruun Andresen er medforfatter på, er tidligere blevet omtalt på Videnskab.dk og viser, at Europa skal helt op og fremstille mere end 100 gigawatt sol- og vindenergi i 2050.

For at sætte det lidt i perspektiv er der i dag opstillet vindmøller, som leverer omtrent 6 gigawatt vindenergi i Danmark ifølge Dansk Energi.

Studiet afliver altså ideen om at udskyde de store forandringer til fremtiden, da de grønne teknologier allerede er klar til at blive implementeres og konstant optimeres ifølge energiforskeren.

»Derfor er det også helt centralt, at der forskes i at gøre solcellerne både mere effektive og miljøvenlige, og der er det nye studie i Science et godt bidrag, da det gør os klogere på nogle af fremtidens solcelleteknologier, og hvad vi potentielt kan forvente os,« slutter Gorm Bruun Andresen.

Red Verden med Videnskab.dk

I en konstruktiv serie ser Videnskab.dk nærmere på, hvordan mennesket kan redde verden.

Vi tager fat på en lang række emner – fra atomkraft og indsatser for at redde dyrene til, om det giver bedst mening bare at spise mindre kød.

Hvad siger videnskaben? Hvad kan man selv gøre hjemme fra sofaen for at gøre en forskel?

Du kan få mange gode tips og råd i vores Facebook-gruppe, hvor du også kan være med i overvejelser om artikler eller debattere måder at redde verden på.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab, klima og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs mere om blandt andet det mikroskopfoto, som du kan se herunder.


Annonce: