Nanohalvledere på grafen revolutionerer solcellers effektivitet
Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet (NTNU) har haft succes med at dyrke nanotråde af halvledermaterialet galliumarsenid (GaAs) på et et-atom tykt lag grafen.
GaAs-trådene hver især er i sig selv de aktive dele af solcellen, som optager energi fra sollyset, og de overfører det direkte til grafen, som er kendt for sin fantastiske ledningsevne.
Det giver en solcelle med en tykkelse på 1 µm, og derfor er materialeforbruget tilsvarende mikroskopisk.
Ud over at være en solcelle, er halvlederen på grafen også en ekstremt tynd LED, hvis man vender strømmens retning, og det åbner op for endnu tyndere og bøjelige LED-displays.
»Det, vi har vist, er først og fremmest, at det er muligt at gro nanotråde af forskellige halvledermaterialer på et lag af grafen. Det har vi gjort ved hjælp af velkendte teknologier, som vi videreudvikler på i CrayoNano,« siger professor på NTNU og stifter af CrayoNano Helge Weman til Ingeniøren.
CrayoNano er en nyopstartet virksomhed til at udvikle og kommercialisere resultatet af flere års forskning på NTNU.
Helge Weman lægger dog ikke skjul på, at det nye 1 µm tykke hybride materiale kan bruges direkte som en solcelle. Og det endda med revolutionerende effekt.
»Den kan konvertere lige knap 30 procent af det absorberede sollys til elektricitet, hvor de resterende 70 procent tabes i varme og lys, der ikke bliver absorberet,« siger forskeren.
Til sammenligning har de bedste siliciumsolceller en virkningsgrad på knap 20 procent. Verdensrekorden i at udnytte sollyset i en solcelle ligger ifølge Helge Weman på 44 procent ved at stable tre lag af solceller med forskellige III-V (periodiske hovedgrupper) halvledermaterialer som GaAs oven på hinanden i en såkaldt tandemsolcelle.
»Så selvom vi betragter der her som en væsentlig landvinding, er der stadig meget højere effektivitet at komme efter,« siger han.
Sandwich-solceller
Den nye solcelle består af galliumdråber på separate tårn eller hår om man vil af GaAs på et lag af grafen, der fungerer som elektrode. Grafen i sig selv er gennemsigtigt, og da der er afstand mellem nanotrådene skulle man tro, at solcellen også var til at se igennem. Men det er kun den halve sandhed, da der er så kort afstand mellem nanotrådene, at de absorberer det meste af sollyset.
Derfor vil solcellen, hvis den skal virke optimalt, bremse alt lyset, ikke være til at se igennem og fremstå sort. Men havde den nye solcelle været bare en anelse tyndere, eller hvis der var større afstand mellem nanotrådene, ville lyset trænge delvist igennem den.
»Vi arbejder med afstande og størrelser på nanotrådene, der er under bølgelængden på synligt lys, som er cirka 500 til 800 nm. Så lyset opfører sig anderledes end på normal skala,« siger Helge Weman.
Den ideelle tykkelse på og afstanden mellem nanotrådene vil ifølge forskeren afhænge af, hvad man skal bruge den til. For solceller påtænkes en ideel diameter på cirka 200 nm og en afstand mellem dem på cirka en halv µm.
Med flere lag af solceller på grafen, hvor der på hvert lag var forskellige halvledermaterialer, kan det lade sig gøre at mere effektivt konvertere lyset fra Solen til elektricitet.
Øverst kan man lægge et lag af solcellen med et halvledermateriale med højere båndgap, som er den bølgelængde, halvledermaterialet absorberer over. Det vil sige, man kan øverst lægge en halvgennemsigtig solcelle med et halvledermateriale, som absorberer ultraviolet og blåt lys og høster energien fra det. Under den kan man lægge det næste lag solcelle med et andet halvledermateriale, som absorberer grønt og gult lys, og nederst et lag der fanger det røde og lidt af det infrarøde.
Den metode er dog ikke rentabel, da galliumarsenid ifølge Helge Weman fint klarer at udnytte det meste af det absorberede sollys, og blot spilder en sjat energi ved at bremse de kortere bølgelængder (uv og blågrøn) til et niveau hvor deres energi også delvist udnyttes. Men især fordi det alligevel ikke er i den del af det absorberede lys' spektrum, der er mest energi at hente.
Velkendt teknologi baner vejen
Metoden, NTNU bruger til at gro de ultratynde nanotråde af GaAs på grafen, kaldes Molecular Beam Epitaxi (MBE).
»Det går ud på, at man i et vakuumkammer med et baggrundstryk på 1 billiontedele atmosfære sprayer atomer af gallium på substratet af grafen fra en cirka 1.000 grader varm galliumkilde. Her vil det samles i dråber i nanostørrelse,« siger professorkollegaen og medstifter af CrayoNano Bjørn-Ove Fimland.
Når dråben er stor nok, åbnes der også for en MBE-stråle af arsen-molekyler rettet mod substratet. Det sker, samtidig med at MBE af gallium fortsætter. Arsenen absorberes i galliumdråben, synker til bunds og krystalliserer til galliumarsenid. Her binder den sig så til grafenets hønsenet-gitteret, og nanotråden begynder at vokse i højden, og efterhånden som mere materiale tilføres, synker den til bunds i dråben og indgår i GaAs-krystalstrukturen. Efter et par minutter er nanotråden 1µm høj, hvilket er, hvad der skal bruges for at absorbere synligt sollys.
Bliver det for dyrt?
MBE lyder som en meget raffineret proces, men ifølge Helge Weman findes der komponenter i de fleste mobiltelefoner, som ofte er skabt på samme måde. Derfor er der heller ikke nødvendigvis lang tid til, teknologien kan udbredes i stor skala.
»Jeg tror, vi i fremtiden, vil kunne se dem her konkurrere med nutidens solceller på pris,« siger Helge Weman.
Selvom galliumarsenid er dyrere end silicium, som hidtidige solceller typisk er lavet af, mener han sagtens, de vil kunne konkurrere på prisen.
De tyndeste siliciumsolceller har ifølge forskeren en tykkelse på 250 µm, så hans galliumarsenidsolceller er 1/250 så tyk, og dækker ideelt 25 procent af grafenoverfladen.
»Så vi skal bruge en tusindedel så meget materiale målt i volumen,« siger han.
Professor på DTU Nanotech Peter Bøggild synes bestemt, at NTNU's halvledere på grafen, er vældig interessant, men tvivler dog på, at vi kommer til at se plantager af de her solceller lige foreløbig.
»MBE er frygteligt dyrt, da det kræver ekstremt vakuum. For at slå en eksisterende teknologi af banen, skal man ikke have noget, der er bedre. Man skal have noget, der er 100 gange bedre, billigere, stærkere eller mere sikkert.« siger han.
»Bøjeligheden i LED-displays, der tror jeg til gengæld, de har noget at forfølge, for der kommer tidligere teknologier til kort.«
Bjørn-Ove Fimland forsikrer dog om, at man trygt kan foretage MBE-manøvren med et baggrundstryk op til 100 milliardtedele atmosfære, så vakuummet ikke behøver være helt så ekstremt. Det burde ifølge alle tre professorer hugge en del af produktionsprisen.
