DTU-forskere vil skabe superbillige solceller af kobber, zink og tin

DTU-forskere vil skabe superbillige solceller af kobber, zink og tin

Prisen på såkaldte 'tyndfilmssolceller' kan bankes i bund, hvis forskerne kan slippe for de kostbare metaller indium og galium. Derfor er DTU nu gået i gang med at udvikle solceller, der er baseret på kobber, zink og tin.

15 procent og 15 år. Tallene er ikke hellige, men er pejlemærker for seniorforsker, dr.scient. og gruppeleder på DTU Fotonik, Risø Campus, Jørgen Schou.

Hans mål er at udvikle tyndfilmssolceller baseret på kobber, zink og tin, de såkaldte CZTS-celler, med en virkningsgrad på 15 procent og en holdbarhed på mindst 15 år.

Men før det nås, er der meget, som skal undersøges, og med en bevilling på 16,4 millioner kroner fra Det Strategiske Forskningsråd er der lagt planer for de kommende tre år.

Skematisk opbygning af en CZTS-solcelle. (Kilde: DTU)
Skematisk opbygning af en CZTS-solcelle. Kilde: DTU
Grafen viser udviklingen i effektivitet, og hvem der har opnået det, for CIGS- og CZTS-solceller. CIGS-cellerne er nået op over 20 procent i laboratorieopstillinger, mens det bedste resultat for CZTS-cellerne ligger på godt 10 procent opnået af IBM i 2010.
Grafen viser udviklingen i effektivitet, og hvem der har opnået det, for CIGS- og CZTS-solceller. CIGS-cellerne er nået op over 20 procent i laboratorieopstillinger, mens det bedste resultat for CZTS-cellerne ligger på godt 10 procent op nået af IBM i 2010.

Projektet, med et samlet budget på 18,5 millioner kroner, har fået det officielle navn CHALSOL, som står for 'Chalkogene solceller af CZTS':

»Grundlæggende forstår vi ikke fysikken i CZTS-celler. Vi ved, at de har samme struktur og dermed minder meget om de mere kendte, såkaldte CIGS-celler, hvor det er kobber, indium og gallium, som udgør grundstammen,« fortæller Jørgen Schou til Ingeniøren.

Derfor kommer en stor del af projektet til at gå med at komme helt ned i de finere detaljer i materialerne, og i hvordan cellerne kan opbygges.

Fuld kontrol under opbygning

DTU er ikke de eneste som forsker i CZTS-celler, men endnu er der ikke sket noget afgørende gennembrud. Den foreløbige rekord for effektivitet ligger hos IBM's forskningslaboratorium, hvor man er kommet op på anselige 8,4 procent i en forsøgsopstilling:

»Vores idé er at udforske den grundlæggende fysik i cellerne. Det kan vi gøre, fordi vi har teknikker til at kontrollere cellernes opbygning lag for lag,« siger Jørgen Schou.

DTU har nogle teknikker i ærmet, som andre forskningsgrupper endnu ikke har benyttet inden for solcelle-materialeforskning.

En af dem er at bruge Pulseret Laser-Deponering (PLD) i selve konstruktionsfasen. Dermed bliver det muligt at opbygge selve cellen i meget tynde lag, samtidig med at hver enkelt lag kontrolleres:

»Vi har også mulighed for at studere materialerne med terahertz-spektroskopi, det ved vi at ingen andre arbejder med i dag. Vi er derfor i stand til at se strukturer, som man ikke kan se med de normale røntgen-analyser, som man normalt bruger i dag,« siger Jørgen Schou.

Han peger også på, at DTU og partnerne har adgang til de bedste elektronmikroskoper i verden i dag.

Slipper for indium

Det, der gør CZTS-cellerne så interessante i dag, er materialerne. I CIGS-cellerne indgår indium, et meget sjældent metal, som der i dag er meget stor efterspørgsel på,fra især elektronikindustrien, hvor det blandt andet bruges i LCD-skærme. Der udvindes kun cirka 600 ton om året, og der er kun udsigt til, at priserne vil stige.

Men der er masser af kobber, zink og tin til rådighed, og ifølge Jørgen Schou kan cellematerialet opbygges med det helt rigtige båndgab ved hjælp af disse metaller plus sulfid (Cu2ZnSnS4). Hvis båndgabet er for lille, vil for meget af fotonernes energi blive afsat i materialet som varme. Hvis båndgabet er for stort, så vil fotonerne ikke kunne afsætte nogen energi overhovedet og materialet vil være noget nær gennemsigtigt.

Udsigt til billig produktion

Med de relativt lave priser for materialer, så er der udsigt til at CZTS-celler vil kunne konkurrere med de silicium-solceller som for tiden oversvømmer verdensmarkedet. Foruden et lavt materialeforbrug er det især fremstillingsmetoden, som stiller en halvering af produktionsprisen i forhold til de siliciumsolceller, vi kender i dag, i udsigt. Det skyldes, at tyndfilmsolceller ikke behøver at gennemgå en energikrævende opvarmning og smeltning af materialet, som det er nødvendigt med silicium.

Men før prisreduktionen bliver en realitet, skal der udvikles produktionsmetoder, som kan overføres til industrien:

»Det går nemlig ikke at bruge PLD i en industriel proces, det er alt for langsomt og dyrt. Vi skal derfor udvikle andre produktionsmetoder til at lægge de enkelte lag ned på cellen. Det er foreløbig spraycoating eller inkjet, som man kender det fra en printer. En gang ude i fremtiden kunne man også forestille sig, at cellerne bliver fremstillet ved en ren kemisk proces,« forklarer Jørgen Schou.

Udvikling af den industrielle proces sker i samarbejde med DTU-partner Dansk Solenergi, som har til huse på Lolland.

Kommentarer (7)

det lyder som et superinteressant og relevant projekt. Men jeg har et spørgsmål til forsamlingen: hvordan forholder det sig med genanvendelse af de dyre metaller? Der er masser af kobber, zink og tin til rådighed lige nu, og priserne er lave - men hvad hvis alle fremtidens solceller skal skabes af disse materialer, hvis efterspørgslen så ikke sprænge beholdningen og sende priserne på himmelflugt? Er det muligt, efter de 15 års levetid, at hive disse metaller ud af de udslidte solceller og bruge dem igen i nye?

  • 0
  • 0