vetenskap i nyheterna

av Emily Kerr
siffror av Abagail Burrus

solen avger tillräckligt med kraft på jorden varje sekund för att tillgodose hela människans energibehov i över två timmar. Med tanke på att den är lättillgänglig och förnybar är solenergi en attraktiv energikälla. Men från och med 2018 kom mindre än två procent av världens energi från sol. Historiskt sett har solenergiskörden varit dyr och relativt ineffektiv. Även denna magra solanvändning är dock en förbättring under de senaste två decennierna, eftersom mängden kraft som samlats in från solenergi över hela världen ökade över 300 gånger från 2000 till 2019. Nya tekniska framsteg under de senaste tjugo åren har drivit detta ökade beroende av sol genom att minska kostnaderna, och ny teknisk utveckling lovar att öka denna solanvändning genom att ytterligare minska kostnaderna och öka solpanelens effektivitet.

Solceller: Kostnader, utmaningar och Design

under de senaste 20 åren har kostnaderna för solceller, strukturerna som kan omvandla ljusenergi till El, minskat stadigt. National Renewable Energy Laboratory, ett amerikanskt regeringslaboratorium som studerar solcellsteknik, uppskattar bidragsgivare till solens ökande överkomliga priser. De uppskattar att hårda kostnader, kostnaderna för den fysiska solcellshårdvaran och mjuka kostnader, som inkluderar arbetskraft eller kostnader för att erhålla nödvändiga statliga tillstånd, är ungefär lika (Figur 1). Mjuka kostnader har minskat eftersom det finns fler potentiella konsumenter och fler installationsexperter för nya solceller, så företag kan producera solceller i bulk och installera dem enkelt. Hårda kostnader är mindre än hälften av vad de var år 2000, främst på grund av minskade materialkostnader och en ökad förmåga hos celler att fånga ljus. Engineering mer kostnadseffektiva och effektiva solceller har krävt noggrann övervägning av fysiken som är involverad i solfångst utöver innovativ design.

eftersom solceller används för att omvandla ljus till elektricitet måste de bestå av något material som är bra för att fånga energi från ljus. Detta material kan sandwichas mellan två metallplattor som bär den el som fångas från ljusenergi till där den behövs, som lamporna i ett hem eller maskiner från en fabrik (Figur 2). Att välja rätt material för att fånga ljus innebär att mäta skillnaden mellan två energinivåer som kallas valensbandet och ledningsbandet. Valensbandet med lägre energi är fyllt med många små negativt laddade partiklar som kallas elektroner, men ledningsbandet med högre energi är mestadels tomt. När elektroner träffas med ljuspartiklar, kallade fotoner, kan de absorbera tillräckligt med energi för att hoppa från lågenergiledningsbandet till högenergivalensbandet. En gång i valensbandet kan den extra energin i elektronen skördas som El. Det är som om elektronerna sitter längst ner på en kulle (ledningsbandet) och träffas av en foton som ger dem energi att hoppa till toppen (valansbandet).

mängden energi som behövs för att elektroner ska hoppa in i valensbandet beror på typen av material. I huvudsak varierar storleken på den metaforiska kullen baserat på egenskaperna hos ett givet material. Storleken på detta energigap är viktigt eftersom det påverkar hur effektivt solceller omvandlar ljus till El. Specifikt, om fotoner träffar elektronerna med mindre energi än elektronen behöver hoppa från valensbandet till ledningsbandet, fångas ingen av ljusets energi. Alternativt, om ljuset har mer energi än vad som behövs för att övervinna det gapet, fångar elektronen den exakta energin den behöver och slösar bort resten. Båda dessa scenarier leder till ineffektivitet i solskörd, vilket gör valet av solcellsmaterial viktigt.

historiskt sett har kisel varit det mest populära materialet för solceller (Figur 2). En orsak till denna popularitet ligger i storleken på klyftan mellan kisels ledning och valensband, eftersom energin hos de flesta ljuspartiklar ligger mycket nära den energi som behövs av kisels elektroner för att hoppa över energiklyftan. Teoretiskt kan cirka 32% av ljusenergin omvandlas till elektrisk energi med en kiselsolcell. Det kanske inte verkar som mycket, men det är betydligt effektivare än de flesta andra material. Dessutom är kisel också billigt. Det är ett av de vanligaste elementen på jorden, och kostnaden för raffinering har minskat dramatiskt sedan 1980. Solcell-och elektronikindustrin har drivit minskningen av reningskostnaden eftersom de har lärt sig bättre bulkreningstekniker för att driva efterfrågan på solceller och konsumentelektronik.

förutom att minska materialkostnaderna Driver smarta tekniska tricks effektiviteten hos kiselsolceller närmare deras teoretiska maximum. För att fotoner ska omvandlas till energi måste de först kollidera med en elektron. Ett trick för att öka sannolikheten för en foton/elektronkollision innebär att man mönstrar kisel i solceller i mikroskopiska pyramidformer. När ljus absorberas i en pyramid färdas det vidare, vilket ökar sannolikheten för att ljuset kommer att kollidera med elektronerna i kislet innan de flyr från cellen.

i en liknande taktik har kemister och materialforskare utformat antireflekterande beläggningar för att sätta på framsidan av solceller för att förhindra att användbart ljus reflekteras tillbaka i rymden utan att någonsin träffa en elektron i solcellen. På samma sätt kan en reflektor på baksidan av solcellen också skörda mer ljus. Ljuset som når solcellen och gör det hela vägen till baksidan utan att träffa en elektron blir studsade på framsidan av cellen, vilket ger cellen en ny chans att samla ljuset.

för närvarande fortsätter kostnaden för kiselbaserade solceller att minska, och trots förutsägelser om motsatsen fortsätter kostnaden för kisel i sig att minska. Kiselsolceller kommer sannolikt att förbli populära de närmaste åren. Alternativ till kiselsolceller har utvecklats men är inte tillräckligt långt för att vara kommersiellt livskraftiga.

framtiden för solceller

för att överträffa nuvarande solceller skulle en ny design behöva kunna fånga mer ljus, omvandla ljusenergi till El mer effektivt och/eller vara billigare att bygga än nuvarande mönster. Energiproducenter och konsumenter är mer benägna att anta solenergi om den energi som den producerar är lika eller billigare än andra, ofta icke förnybara, former av el, så någon förbättring av nuvarande solcellsdesign måste sänka de totala kostnaderna för att bli allmänt använd.

det första alternativet, att lägga till hårdvara som gör att solcellerna kan fånga mer ljus, kräver faktiskt inte att vi överger nuvarande solcellsdesigner. Elektronik kan installeras med solcellen som låter cellen spåra solen när den rör sig genom daghimlen. Om solcellen alltid pekar mot solen kommer den att drabbas av många fler fotoner än om den bara pekade mot solen runt middagstid. För närvarande är design av elektronik som kan spåra solens position exakt och konsekvent i flera decennier till en rimlig kostnad en pågående utmaning, men innovation på denna front fortsätter. Ett alternativ till att få solcellen att röra sig är att använda speglar för att fokusera ljus på en mindre och därmed billigare solcell.

en annan väg till att förbättra solcellernas prestanda är att rikta sin effektivitet så att de är bättre på att omvandla energi i solljus till El. Solceller med mer än ett lager av ljusfångande material kan fånga fler fotoner än solceller med bara ett enda lager. Nyligen kan laboratorietestade solceller med fyra lager fånga 46% av den inkommande ljusenergin som träffar dem. Dessa celler är fortfarande mestadels för dyra och svåra att göra för kommersiell användning, men pågående forskning kan en dag göra det möjligt att implementera dessa supereffektiva celler.

alternativet till att förbättra solcellernas effektivitet minskar helt enkelt deras kostnader. Även om bearbetning av kisel har blivit billigare under de senaste decennierna, bidrar det fortfarande avsevärt till kostnaden för solcellsinstallation. Genom att använda tunnare solceller minskar materialkostnaderna. Dessa “tunnfilms solceller” använder ett lager av material för att skörda ljusenergi som bara är 2 till 8 mikrometer tjock, endast cirka 1% av vad som används för att göra en traditionell solcell. Liksom celler med flera lager är tunnfilmssolceller lite knepiga att tillverka, vilket begränsar deras tillämpning, men forskning pågår.

i den närmaste framtiden kommer kiselsolceller sannolikt att fortsätta minska i kostnad och installeras i stort antal. I USA förväntas dessa kostnadsminskningar öka solenergin som produceras med minst 700% år 2050. Under tiden kommer forskning om alternativa mönster för effektivare och billigare solceller att fortsätta. År från och med nu kommer vi sannolikt att se alternativ till kisel som förekommer på våra solparker och hustak, vilket hjälper till att tillhandahålla rena och förnybara energikällor. Dessa förbättringar har och kommer att fortsätta att möjliggöras genom ökad bulktillverkning av solceller och ny teknik som gör cellerna billigare och effektivare.

Emily Kerr, doktorand i Kemi och kemisk biologi.

Abagail Burrus är en Tredjeårig Organismisk och evolutionär biologi doktorand som studerar elaiophore utveckling.

för mer information:

• för att lära dig mer om tunnfilms solceller, kolla in det här stycket från MIT News
• för mer information om de minskande kostnaderna för solceller, se den här artikeln från MIT News
• för en grafisk bild av hur solpaneler fungerar, kolla in den här artikeln om solpanelsammansättning och vetenskap

den här artikeln är en del av vår SITN20-serie, skriven för att fira sitns 20-årsjubileum genom att fira de mest anmärkningsvärda vetenskapliga framstegen under de senaste två decennierna. Kolla in våra andra SITN20 bitar!