Fremtidens solceller kan være printede og ultratynde

I en nær fremtid kan vores vinduer og hustage være dækket med et tyndt, gennemsigtigt lag film, der høster energi fra Solens stråler.

Solcellerne vil være produceret på en form for printer, nærmest ligesom en avis trykkes, og er så fleksible, at de kan sættes på vinduer, krumme bygninger eller biler, for den sags skyld.

De organiske solceller, som denne teknologi kaldes, er inde i en rivende udvikling og begynder efterhånden at nærme sig effektiviteten på de mere traditionelle solceller, der er baseret på silicium.

Særligt i de seneste par år er de organiske solceller accelereret i ydeevne, og i laboratoriet er det muligt at lave en lille solcelle, der kan forvandle 18 procent af Solens stråler til energi. Et tal, som man nu arbejder på at opnå på store solcellearealer.

Fordelene ved organiske solceller er til at få øje på. De er nemlig både billigere og langt mindre energikrævende at producere, beretter SDU-professor Morten Madsen, som er en af de førende forskere på området:

»For 10 år siden var den generelle interesse for organiske solceller mindre, selvom den var til stede i forskningsmiljøerne. Dengang slog vi også på tromme for, at det var en grønnere teknologi end silicium-solceller, men vi blev hele tiden udkonkurreret af, at ydeevnen var for lav. Det argument er blevet sværere at komme frem med, fordi organiske solceller nu har vist, at de kan hæve ydeevnen væsentligt.«

Du har sikkert set de traditionelle silicium-solceller, som skyder op på hustage og i landskabet for at fortrænge kul og gas. De er en vigtig del af omstillingen, men til Videnskab.dk har forskere tidligere kritiseret, at nogle solceller stadig indeholder små mængder af bly i loddematerialet og er svære at genanvende 100 procent.

Det er blandt andet de udfordringer, som forskerne på SDU vil arbejde sig udenom:

»Med organiske solceller undgår vi helt tungmetaller og giftige materialer i det hele taget. Samtidig er materialeforbruget meget mindre, og når vi udvikler moduler, kan vi med de underlag, som solcellerne ligger på, anvende bioplast eller andre genanvendelige materialer,« siger Morten Madsen, der er professor MSO og forskningsleder på Mads Clausen Instituttet på Syddansk Universitet.

Mindre energikrævende

Hvis vi alene i Danmark skal op og få 10-15 procent af vores strøm fra solceller frem mod 2050, som nogle forskere i Ingeniøren peger på, at vi skal, så bliver vi nødt til at sikre, at bæredygtighed og genanvendelse gennemsyrer de solceller, vi udvikler, mener Morten Madsen.

Netop her scorer de organiske solceller højt.

»Selve solcellerne er opbygget af kulstof, der er et naturligt materiale, og produktionen af organiske solceller foregår ved temperaturer på maks 100 grader,« forklarer Morten Madsen.

»Det er en stor forskel fra silicium-solceller, da det er rigide plader, som er cirka 1000 gange tykkere og skal op over 1000 grader under fremstillingen, fordi man skal rengøre og krystallisere silicium-materialet, og det er en udfordring. For et materiale, der er meget varmetungt, er også meget energitungt,« fortsætter han.

Ser man på hele livscyklussen for de organiske solceller, er klimaaftrykket væsenligt lavere end for siliciumsolceller, påpeger Morten Madsen. Når man taler energi og vedvarende energikilder, så bruges det mundrette ord energitilbagebetalingstid.

Energitilbagebetalingstid er den tid, som solcellerne er om at producere den samme mængde energi, som blev brugt til deres fremstilling. Den er lav for nogle typer af traditionelle solceller.

»Men med silicium solceller snakker man over et år, mens man for organiske solceller snakker omkring én måned, man kan potentielt opnå en meget høj genanvendelsesgrad, og print-teknologien gør dem billige at producere,« tilføjer Morten Madsen.

Kan integreres i bygninger

De organiske solcellerne ligner plastfolie. De er ekstremt tynde, meget lette og mulige at bøje. De kan derfor placeres steder, der ikke optager store landarealer.

Skal Europa op og installere mere end 100 gigawatt sol- og vindenergi i nogle år for at udfase olie og kul, som et dansk studie tidligere har regnet sig frem til, vil det kræve, at vi finder plads til solcelleparker.

En af udfordringerne er imidlertid, at store solcelleparker møder modstand i lokalbefolkningen, påpeger Morten Madsen.

»Den udfordring kan man arbejde sig udenom med organiske solceller, da de kan fremstilles i forskellige farver og også gennemsigtige til vinduer, så man i højere grad kan integrere solcellerne i bygningerne. Dette er også anvendeligt i både landbruget og på drivhuse,« uddyber professoren.

Man kan forestille sig, at de fleksible solceller for eksempel kan klistres på vinduer, soltage eller bruges på drivhuse, således at de bliver et lille kraftværk i sig selv.

Teknik kan gøre solcellerne billigere

For Jens Wenzel, der forsker i organiske solceller på DTU, er det stærkeste argument for organiske solceller ikke, at de kan bøje sig rundt om bygningerne, som nogle arkitekter har peget på.

Han mener, at det giver bedst mening at bruge dem på tage, marker og vinduer, hvor Solens stråler kan ramme hele solcellen.

»Så længe vi har tage og marker til solceller, vil jeg hellere prioritere at sætte dem dér. Jeg synes, den vigtigste motivation for at arbejde med de her solceller er, at de kræver meget mindre energi at fremstille, og de bruger meget lidt materiale,« uddyber professor Jens Wenzel Andreasen fra Institut for Energikonvertering og -lagring på DTU.

»Noget af det vigtigste, man får ud af fleksibiliteten, er, at de kan fremstilles på rulle-rulle, som gør, at man kan bruge trykketeknikker, ligesom man gør med for eksempel aviser. Det er det, der kan være med til at gøre opskalering og fremstillingen billig,« fortsætter Jens Wenzel Andreasen, der også vurderer, at de organiske solceller igen har fået mere opmærksomhed, fordi man er lykkedes med at komme op i ydeevne.

Professoren peger ligesom Morten Madsen på drivhuse som et idéelt sted at placere organiske solceller, fordi de er gennemsigtige og en bølgelængde af Solens stråler derfor kan trænge igennem til afgrøderne, som så fortsat gror.

På Videnskab.dk har vi tidligere skrevet om et forskningsprojekt, hvordan salathoveder voksede fint under organiske solceller.

Stadig et par knaster

Morten Madsen bemærker en stigende interesse for organiske solceller, og forskerne har tidligere arbejdet sammen med Danfoss om at få etableret et produktionsanlæg – den såkaldte rulle-rulle printer – på instituttet.

Men der er særligt én afgørende hindring, som stadig skal ryddes af vejen.

De organiske solcellers akilleshæl er stabiliteten. Solcellernes aktive lag er lavet af organiske molekyler, der med tiden nedbrydes af en kombination af solens lys og ilt, og det er blandt andet derfor, at det større kommercielle gennembrud lader vente på sig.

På SDU forskes der i, hvordan kombinationer af nye materialer og kemiske forbindelser kan beskytte solcellerne; for eksempel på samme måde som solcreme forhindrer UV-stråler i at skade vores hud.

»Den overordnede udfordring er stadigvæk levetiden, for det er, hvad virksomhederne skal ud og garantere. Så de skal sikre, at solcellerne stadig virker lang tid nok til den anvendelse der er tiltænkt, og det kan variere fra solcellemateriale til solcellemateriale.«

Skal stå sin prøve i stor skala

På nuværende tidspunkt har industrien arbejdet med en holdbarhed på omtrent 10 år med den ældre generation af organiske solceller, og det arbejder forskerne på at forlænge ved at bruge nye, mere effektive materialer, uddyber Morten Madsen.

Til sammenligning har silicium-solceller en garanteret levetid på omtrent 25-30 år. Jens Wenzel Andreasen peger på et andet vigtigt parameter, som han selv har beskrevet i en videnskabelig artikel:

»Opskalering er vigtigt lige nu. Udfordringen ligger i at komme op på de 18 procents effektivitet på det store areal, som man har set i laboratoriet.«

Morten Madsen understreger, at organiske solceller ikke skal ses som en teknologi, der skal udkonkurrere de traditionelle solceller. Vi får brug for en hulens masse solcelleenergi hurtigst muligt.

Og som det er nu, kan man ikke bare gå ud og flå de organiske solceller ned af hylderne. Det er endnu svært at sige, hvornår det bliver en mulighed.

»Det er stadigvæk en ny teknologi kommercielt, også hvis man kigger på prisen. Før teknologien for alvor kommer op og bliver modnet, så kræver det et prisfald, og den er man først ved at få skudt i gang når det gælder organiske solceller - men det går den rigtige vej,« vurderer Morten Madsen.

Giver mening at producere i Europa

I dag er meget den konventionelle silicium solcelleproduktion rykket til Kina, fordi de er billigere at producere dér. Men produktionen af organiske solceller kan potentielt blive på hjemlige breddegrader, vurderer forskerne.

Solcellerne er nemmere og billigere at producere med den såkaldte rulle-rulle teknologi.

»Det åbner en mulighed for en mere lokal og decentraliseret fremstilling af de hér solceller,« påpeger Jens Wenzel Andreasen.

Den betragtning deler Morten Madsen:

»En masse af forskningen og udviklingen af disse organiske solceller er lavet i europæiske lande, heriblandt Danmark, hvor vi allerede har kompetencer og ekspertisen til de højteknologiske rulle-til-rulle tryk processer, som er en grøn og mindre energitung produktionsteknologi.«