DTU-forskere udvikler tandem-solcelle med både silicium og tyndfilm

Et hold af forskere med dansk ledelse vil kombinere det bedste fra to verdener inden for solceller: siliciumkerne-cellen og en tyndfilmscelle.

Ideen om en tandemcelle, hvor to lag af absorberende materialer virker i kombination, er ikke ny. Men af konkurrencemæssige årsager er det fortsat siliciumkernecellen eller rene tyndfilmsceller, der præger solpaneler kloden rundt. Det er derimod langt fra alle af disse tyndfilm, der er baseret på bæredygtige materialer i den forstand, at metallerne ikke er tilgængelige i store mængder.

Med projektet Altcell vil de danskledede forskere forsøge at skabe et fremtidssikkert alternativ til de eksisterende solceller, som projektets navn antyder. I stedet for at bruge den knappe ressource indium og det gifte galium, som i dag benyttes i tyndfilmsceller, benytter Altcell andre og mere tilgængelige metaller:

»Vi er rigtigt glade for vores CZTS-tyndfilmen, fordi den består af lutter dagligdagsmaterialer: Kobber, zink, tin og svovl. Så det er altsammen nemt tilgængeligt,« forklarer Jørgen Schou, professor ved DTU Fotonik og leder af Altcell.

Erfaring med CZTS

Og Jørgen Schou har både stor tro på og erfaring med CZTS-tyndfilmen. Han er netop ved at afslutte det flerårigt projekt Chalsol, der skulle være med til at udvikle CZTS-materialet. Forskerne fik først for ti år siden fik øjnene op for det. I løbet af projektet lykkedes det Jørgen Schou og hans kollegaer at hæve effekten fra nul til fem procent.

Da Chalsol-projektet startede, var håbet, at CZTS alene kunne udgøre et alternativ til de traditionelle silicium-paneler, men fordi markedspriserne for både siliciumcellen og de hyppigt anvendte CIGS-tyndfilm med galium og indium er faldet drastisk de seneste år, leder forskerne efter en måde at gøre CZTS konkurrencedygtigt:

»Vi har gjort gode fremskridt med vores første projekt ved at hæve effekten, og der er stadig en mulighed for at kunne nå op på et niveau med CZTS, der er konkurrencedygtigt, særligt hvis det indgår i en tandemcelle,« forklarer Jørgen Schou:

»Vi har derfor to retninger i vores projekt: At få CZTS til at virke meget bedre og få det til at virke i en tandemcelle.«

En god kombination

I dag er der ikke mange energieffektive tandemceller. Men med samspillet mellem netop siliciumcellen og CZTS-tyndfilmen har Jørgen Schou og hans kollegaer god grund til at tro på de alternative tandemceller, som de håber kan nå op på en effektivitet på 7-10 procent:

»De faststoffysiske egenskaber i CZTS passer rigtigt godt til silicium. Båndgabene i de to materialer er forskellige, så de optager energi fra store dele af spektret,« forklarer Jørgen Schou og fortsætter:

»Øverst ligger tyndfilmen af CZTS, da den optager de mest energirige fotoner. Herefter går resten af energien til siliciumkernen nedenunder. Silicium virker bedst i det infrarøde spektrum, men CZTS virker i den synlige del af spektret.«

Én af projektets udfordringer bliver at udvikle den bedste måde at sætte de to materialer sammen og samtidig bevare de gode egenskaber fra begge materialer.

Erhvervslivet er med

Her kommer partnerskabet med Haldor Topsøe blandt andet ind i billedet. I samarbejde med dem vil forskerne blandt andet forsøge sig frem ved at spraye tyndfilmen på:

»I vores første projekt blev CTZS fremstillet i tørre processer i vakuum. Nu vil vi gerne det i vådkemiske processer, eksempelvis ved hjælp af med spraycoating,« siger Jørgen Schou.

Samarbejdet med erhvervslivet er vigtigt, for hvis ikke der kan findes alternative måde at producere tyndfilmen, vurderer Jørgen Schou, at det bliver vanskeligt at få produktion af tandemcellerne op i stor skala.

Udover Haldor Topsøe er også Inmold A/S og Dansk Solenergi med i projektet, mens der er forskerbidrag fra både DTU Fotonik, DTU Nanotech, DTU Energi, Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet og Nanyang Technological University i Singapore. Altcell-projektet er støttet med 24 mio. kr. fra Innovationsfonden og løber over de næste tre år.