videnskab i nyhederne

af Emily Kerr
tal af Abagail Burrus

Solen udsender nok strøm på jorden hvert sekund til at tilfredsstille hele det menneskelige energibehov i over to timer. Da det er let tilgængeligt og vedvarende, er solenergi en attraktiv energikilde. Fra og med 2018 kom mindre end to procent af verdens energi fra sol. Historisk set har høst af solenergi været dyrt og relativt ineffektivt. Selv denne magre solforbrug er dog en forbedring i forhold til de foregående to årtier, da mængden af strøm indsamlet fra solenergi over hele verden steg over 300 gange fra 2000 til 2019. Nye teknologiske fremskridt i løbet af de sidste tyve år har drevet denne øgede afhængighed af sol ved at reducere omkostningerne, og ny teknologisk udvikling lover at øge denne solforbrug ved yderligere at reducere omkostningerne og øge solpaneleffektiviteten.

Solceller: Omkostninger, udfordringer og Design

i løbet af de sidste 20 år er omkostningerne forbundet med solceller, strukturer, der er i stand til at omdanne lysenergi til elektricitet, støt faldende. Det nationale laboratorium for vedvarende energi, et amerikansk regeringslaboratorium, der studerer solcelleteknologi, estimerer bidragydere til den stigende prisoverkommelighed for sol. De estimerer, at hårde omkostninger, omkostningerne ved det fysiske solcelleudstyr og bløde omkostninger, som inkluderer arbejdskraft eller omkostninger for at opnå krævede offentlige tilladelser, er omtrent ens (figur 1). Bløde omkostninger er faldet, fordi der er flere potentielle forbrugere og flere installationseksperter til nye solceller, så virksomheder kan producere solceller i bulk og installere dem let. Hårde omkostninger er mindre end halvdelen af, hvad de var i år 2000, hovedsagelig på grund af faldende materialomkostninger og en øget evne til celler til at fange lys. Engineering mere omkostningseffektive og effektive solceller har krævet nøje overvejelse af fysikken involveret i solfangning ud over innovativt design.

da solceller bruges til at omdanne lys til elektricitet, skal de være sammensat af noget materiale, der er godt til at fange energi fra lys. Dette materiale kan klemmes mellem to metalplader, der bærer den elektricitet, der er fanget fra lysenergi til det sted, hvor det er nødvendigt, som lysene i et hjem eller maskiner fra en fabrik (figur 2). At vælge det rigtige materiale til at fange lys indebærer måling af forskellen mellem to energiniveauer kaldet valensbåndet og ledningsbåndet. Valensbåndet med lavere energi er fyldt med mange små negativt ladede partikler kaldet elektroner, men ledningsbåndet med højere energi er for det meste tomt. Når elektroner rammes med lyspartikler, kaldet fotoner, kan de absorbere nok energi til at hoppe fra ledningsbåndet med lav energi ind i valensbåndet med høj energi. En gang i valensbåndet kan den ekstra energi i elektronen høstes som elektricitet. Det er som om elektronerne sidder i bunden af en bakke (ledningsbåndet) og bliver ramt af en foton, der giver dem energi til at springe til toppen (valancebåndet).

mængden af energi, der er nødvendig for elektroner til at hoppe ind i valensbåndet, afhænger af materialetypen. I det væsentlige varierer størrelsen af den metaforiske bakke baseret på egenskaberne af et givet materiale. Størrelsen af dette energispalte betyder noget, fordi det påvirker, hvor effektivt solceller omdanner lys til elektricitet. Specifikt, hvis fotoner rammer elektronerne med mindre energi, end elektronen har brug for at hoppe fra valensbåndet til ledningsbåndet, fanges ingen af lysets energi. Alternativt, hvis lyset har mere energi end nødvendigt for at overvinde dette hul, fanger elektronen den nøjagtige energi, den har brug for, og spilder resten. Begge disse scenarier fører til ineffektivitet i solhøstning, hvilket gør valget af solcellemateriale vigtigt.

historisk set har silicium været det mest populære materiale til solceller (figur 2). En af grundene til denne popularitet ligger i størrelsen på kløften mellem siliciums ledning og valensbånd, da energien fra de fleste lyspartikler er meget tæt på den energi, som siliciums elektroner har brug for for at springe energigabet. Teoretisk set kunne omkring 32% af lysenergien omdannes til elektrisk energi med en silicium solcelle. Dette virker måske ikke meget, men det er betydeligt mere effektivt end de fleste andre materialer. Derudover er silicium også billigt. Det er et af de mest rigelige elementer på jorden, og omkostningerne ved raffinering er faldet dramatisk siden 1980. Solcelle-og elektronikindustrien har drevet faldet i rensningsomkostninger, da de har lært bedre bulkrensningsteknikker til at drive efterspørgslen efter solceller og forbrugerelektronik.

ud over faldende materialomkostninger skubber smarte tekniske tricks effektiviteten af siliciumsolceller tættere på deres teoretiske maksimum. For at fotoner skal omdannes til energi, skal de først kollidere med en elektron. Et trick for at øge sandsynligheden for en foton/elektronkollision involverer mønster af silicium i solceller i mikroskopiske pyramideformer. Når lys absorberes i en pyramide, bevæger det sig videre, hvilket øger sandsynligheden for, at lyset kolliderer med elektronerne i siliciumet, før det slipper ud af cellen.

i en lignende taktik har kemikere og materialeforskere designet antireflekterende belægninger til at sætte på forsiden af solceller for at forhindre, at nyttigt lys reflekteres tilbage i rummet uden nogensinde at ramme en elektron i solcellen. Ligeledes giver en reflektor på bagsiden af solcellen også mulighed for at høste mere lys. Lyset, der når solcellen og gør det hele vejen igennem til bagsiden uden at ramme en elektron, bliver hoppet til forsiden af cellen, hvilket giver cellen endnu en chance for at samle lyset.

i øjeblikket fortsætter omkostningerne ved siliciumbaserede solceller med at falde, og på trods af forudsigelser om det modsatte fortsætter omkostningerne ved silicium i sig selv med at falde. Silicon solceller vil sandsynligvis forblive populære i de næste par år. Alternativer til silicium solceller er blevet udviklet, men er ikke langt nok til at være kommercielt levedygtige.

fremtiden for solceller

for at overgå nuværende solceller skal et nyt design være i stand til at fange mere lys, omdanne lysenergi til elektricitet mere effektivt og/eller være billigere at bygge end nuværende design. Energiproducenter og forbrugere er mere tilbøjelige til at vedtage solenergi, hvis den energi, den producerer, er lige eller billigere end andre, ofte ikke-vedvarende, former for elektricitet, så enhver forbedring af de nuværende solcelledesign skal nedbringe de samlede omkostninger for at blive udbredt.

den første mulighed, der tilføjer udstyr, der gør det muligt for solcellerne at fange mere lys, kræver faktisk ikke, at vi opgiver de nuværende solcelledesign. Elektronik kan installeres med solcellen, der lader cellen spore solen, når den bevæger sig gennem dagtimerne. Hvis solcellen altid peger mod solen, vil den blive ramt af mange flere fotoner, end hvis den kun pegede mod solen omkring middagstid. I øjeblikket er design af elektronik, der kan spore solens position nøjagtigt og konsekvent i flere årtier til en rimelig pris, en løbende udfordring, men innovation på denne front fortsætter. Et alternativ til at få solcellen til at bevæge sig er at bruge spejle til at fokusere lys på en mindre og derfor billigere solcelle.

en anden vej til forbedring af solcellernes ydeevne er at målrette deres effektivitet, så de er bedre til at konvertere energi i sollys til elektricitet. Solceller med mere end et lag lysfangende materiale kan fange flere fotoner end solceller med kun et enkelt lag. For nylig kan laboratorietestede solceller med fire lag fange 46% af den indkommende lysenergi, der rammer dem. Disse celler er stadig for det meste for dyre og vanskelige at gøre til kommerciel brug, men løbende forskning kan en dag gøre implementering af disse supereffektive celler mulig.

alternativet til at forbedre effektiviteten af solceller er simpelthen at reducere deres omkostninger. Selvom forarbejdning af silicium er blevet billigere i løbet af de sidste par årtier, bidrager det stadig betydeligt til omkostningerne ved solcelleinstallation. Ved at bruge tyndere solceller falder materialomkostningerne. Disse “tyndfilmssolceller” bruger et lag materiale til at høste lysenergi, der kun er 2 til 8 mikrometer tykt, kun omkring 1% af det, der bruges til at fremstille en traditionel solcelle. Ligesom celler med flere lag er tyndfilmssolceller lidt vanskelige at fremstille, hvilket begrænser deres anvendelse, men forskning pågår.

i den nærmeste fremtid vil siliciumsolceller sandsynligvis fortsætte med at falde i omkostninger og blive installeret i stort antal. I USA forventes disse omkostningsfald at øge den producerede solenergi med mindst 700% inden 2050. I mellemtiden vil forskning på alternative designs til mere effektive og billigere solceller fortsætte. År fra nu vil vi sandsynligvis se Alternativer til silicium, der vises på vores solcelleparker og hustage, hvilket hjælper med at levere rene og vedvarende energikilder. Disse forbedringer er og vil fortsat blive muliggjort ved at øge bulkproduktionen af solceller og nye teknologier, der gør cellerne billigere og mere effektive.

Emily Kerr, kandidatstuderende i Kemi og kemisk biologi.

Abagail Burrus er en tredje-årig Organismisk og evolutionær biologi ph.d. – studerende, der studerer elaiophore udvikling.

For mere information:

• for at lære mere om tyndfilmsolceller, tjek dette stykke fra MIT nyheder
• for mere information om de faldende omkostninger ved solceller, se denne artikel fra MIT nyheder
• for en grafisk skildring af, hvordan solpaneler fungerer, tjek denne artikel om solpanelsammensætning og videnskab

denne artikel er en del af vores sitn20-serie, skrevet for at fejre 20-årsdagen for sitn ved at fejre de mest bemærkelsesværdige videnskabelige fremskridt i de sidste to årtier. Tjek vores andre sitn20 stykker!