Glødende solceller sprænger grænser for solenergi

De spiller en vigtigere og vigtigere rolle i vores energisystem. De er på vej til at fortrænge de fossile energikilder. Men på sin vis er udbredelsen mærkværdig;

Almindelige solcelleanlæg er noget nær ligeså ineffektive den i dag, som da vi første gang begyndte at opsætte dem på vores tage og markarealer.

Enkeltlags-silicium-solceller, som hører til i den mest anvendte gruppe, plages af en effektivitetsgrænse på omkring 32 procent. Den lave udnyttelsesgrad hænger blandt andet sammen med, at traditionelle solceller kun gør brug af lys i det røde til violette spektrum.

Resten af sollyset, der ellers kunne omdannes til elektricitet, går tabt.

Forskere klar til at sprænge grænserne

Den effektivitetsgrænse for omdannelsen af sollys til energi kaldes for ”Shockley-Queisser Limit”. Siden 1961 har grænsen blandt forskere været et pejlemærke for solcellers effektivitet. Takket være et anderledes solcelleanlæg og seks forskere fra Massachusetts Institute of Technology og Purdue University, kan vi nu sprænge denne grænse.

»Vi forsøger at løse de fundamentale begrænsninger ved fotovoltaik,« siger David Bierman fra MIT til Smitsonian Mag.

Som bonus bliver vi stillet i udsigt for alvor at få glæde af solcelleanlæg til energilagring, når solen er uden for synsvidde på grund af skyer eller nattehimmel.

»Hvis der er mulighed for at lagre den termiske energi, er det en værdifuld egenskab, da termisk energilagring er væsentligt billigere end ellagring i batterier,« siger Seniorspecialist i solenergi ved Teknologisk Institut, Ivan Katic, da Ingeniøren beder om hans vurdering af det anderledes solcelleanlæg.

Forskere fra USA udfordrer Shockley-Queisser-grænsen ved at konstruere en protype på et solcelleanlæg, der bryder med den traditionelle måde, vi anvender fotovoltaiske celler til at omdanne lysenergi til elektrisk energi. Gængse solceller er typisk fremstillet af grundstoffet silicium, der er tilsat bor og fosfor på siderne. Solcellerne danner et permanent elektrisk felt, der bevirker, at frie elektroner i solcellen bevæger sig i en bestemt retning.

Lysets fotoner slår elektroner løs, så de bevæger sig frit. Til sidst bliver de opsamlet af et elektrisk ledende net i solcellen, der udgør en negativ pol.

Derved opbygges der en spændingsforskel mellem solcellens for- og bagside. De to ender kan forbindes med et elektrisk kredsløb, som vil søge at udligne spændingsforskellen. Fotonerne tilfører energi til elektronerne, som bevæger sig mod den negative pol.

Fra solenergi til varme og fra varme til lys

MIT og Purdue University's solcelleanlæg går omvendt til værks. Det omdanner først sollys til varme og omdanner derefter varmen tilbage til lys – men vel at mærke lys indenfor det spektrum som solcellen kan anvende.

Der bliver forsket intenst i at udnytte den infrarøde del af spektret, som ikke bliver absorberet af silicium-solceller. Men anlægget fra MIT og Purdue University er det første, som kan demonstrere at kunne absorbere mere energi end enkeltstående, underliggende fotovoltaiske celler.

Udnyttelsesgraden er dog indtil videre helt nede på 6,8 procent. Men det er selve perspektivet ved denne solcelleteknologi, kendt som 'hot solar cells', som gør forskningen værd at holde øje med. Fordi ligesom gængse solcelleanlæg bliver forstærket for at øge virkningsgraden, kan hot solar cells også blive opkonverteret og altså generere langt mere end de sædvanlige solcelleanlæg er i stand til.

MIT-forskerne anslår, at de kan blive dobbelt så effektivt som konventionelle fotovoltaiske celler.

Flytter teoretiske grænser

Kernen ved hot solar cells bygger grundlæggende på to ting.

1. For det første kan vi nu så småt for alvor drage glæde af udviklingen indenfor materialer, siden de første spæde solceller så dagens lys.
   Det er materialeudvikling, som blandt andre forskere fra Københavns Universitet har bidraget til gennem deres forskning i nanowires. De kan koncentrere lysintensiteten op til 15 gange i forhold til, hvad der normalt er i solens stråler. Dermed kan de være med til at hæve grænsen i hockley-Queisser Limit med et par procent.

»Det er spændende som forsker at flytte de teoretiske grænser, som vi kender. Selvom det ikke lyder af meget, at grænsen er flyttet med et par procent, vil det få en stor betydning for udviklingen af solceller, udnyttelse af solens stråler og måske udvindingen af energi på internationalt plan,« sagde Peter Krogstrup, forsker ved Niels Bohr Instituttet allerede i 2013 om teknologien.

2. For det andet har forskerne i USA skabt en såkaldt absorber-emitter til deres solcelleanlæg. Det er et lag, der fungerer som en lystragt lagt over solcellerne og består af massive, sorte kulstofnanorør.

Nanorørene indfanger energien fra sollyset og konverterer hovedparten til varme og senere til en fotonstrøm, der rammer selve solcellen.

I den proces sniger temperaturen sig op om omkring 1000 grader celsius, og en tilstødende emitter udsender denne termiske energi som lys – dog primært indenfor de bølgelængder som de fotovoltaiske celler rent faktisk kan asorbere. Den tilstødende emitter, som omdanner varmeenergien til lys er lavet af fotonisk krystal – en struktur der kan designes helt ned til nanoniveau, hvilket er nødvendigt, hvis vi skal kunne bestemme de bølgelængder af lys, som skal passere igennem denne emitter.

Oveni kommer så et specialiseret optisk filter, der transmitterer det skræddersyede lys, mens det reflekterer næsten alle ubrugelige fotoner tilbage. Denne form for foton-genbrug resulterer i mere varme, hvilket til gengæld producerer mere af det lys, som solcellen kan absorbere, hvormed udnyttelsesgraden i systemet får endnu et hak opad.

Meget mere kompliceret end et gængs solcelleanlæg? Ja, det kan du tro.

Helt unikt? Nja - både og.

Kan den dyre teknologi tjene sig hjem?

MIT og Purdue Universitys solcelle-anlæg baserer sig på termo-fotovoltaik; et kendt princip, hvor man kan omsætte termisk energi fra en glødende emitter til elektrisk energi via en speciel solcelle med stor effektivitet i det langbølgede område. Det har hidtil været brugt til at få en lille smule el direkte ud af en forbrændingsproces, hvilket blandt andet bruges til militære formål.

»MIT-projektet bygger på samme idé, men bruger solen til at opvarme emitteren. Under alle omstændigheder er der tale om et mere kompliceret system end med traditionelle solcellepaneler, så det er et åbent spørgsmål om den påståede effektivitetsforbedring kan tjene sig hjem i praksis«, siger Ivan Katic og fastslår:

»Prisen per kWh er det afgørende, så længe der er plads nok.«

I forbindelse med optimering af sollys til gængse solceller og omvendt kan man give solceller en såkaldt opkonverterende "brille" på bagsiden kombineret med et spejl, så fotonerne omdannes til fotoner med en bølgelængde, der er mere passende.

En anden måde at øge virkningsgraden af solceller på er ved at lægge flere forskellige solceller, der hver især er optimeret til hvert deres bølgelængdeinterval, ovenpå hinanden

Ivan Katic tror også, at disse hot solar cells får brug for hjælpemidler, hvis de skal batte noget. Ikke mindst herhjemme.

»For at få temperaturen høj nok til at emitteren kan gløde, er der formentlig tale om koncentreret sollys, så der vil blive brug for spejle eller linser, som følger solens bane. Derfor vil opfindelsen ikke være så egnet til lande med en stor andel af diffust sollys, såsom Danmark. Det er muligt, at emitteren fungerer ved lav temperatur, men det forekommer uklart,« vurderer Ivan Katic.

Masser af udfordringer

MIT-forskerne fremhæver tillige, at der er stribevis af udfordringer at give sig i kast med, såfremt hot solar cells skal kunne konkurrere med de traditionelle mere smiple solcelle-anlæg.

»Vi er nødt til at løse en hel masse udfordringer relateret til at nå op i storskala-format, før anlægget kan skabe nok kraft til at være en brugbar løsning for folk,« siger David Bierman til Smithsonian Mag.

En salgsargument vedbliver dog at være, at hot solar cells og altså termo-fotovoltaik kan drage nytte af, at varme er lettere at lagre end elektricitet. Derfor kan hot solar cells-teknologien være med til i højere grad at åbne op for, at overskydende energi kan lagres og efterfølgende producere energi – selv når solen ikke skinner.