Solcellsrevolution utan sällsynta metaller

av J Krook/A Rökaeus
Ett spanskt-finskt forskarlag har slagit effektivitetsrekord med solceller som lämpar sig för nordliga breddgrader – helt utan att använda de sällsynta metaller som annars bromsar en solrevolution i större skala.
Solcellsrevolution utan sällsynta metaller
– Solcellsteknikerna måste i förlängningen gå att producera i stor skala och då måste materialfrågorna vägas in, säger Mikael Höök, docent i globala energisystem vid Uppsala universitet. Foto: Mostphotos

För att förbättra solcellernas effektivitet undersöks ständigt nya material och tekniker och ett material som länge intresserat solcellsforskare är svart kisel – en behandlad form av kisel som fångar solljus mycket mer effektivt än vanligt kisel.

Ny lösning

Tidigare har de svarta kiselcellernas effektivitet varit begränsad, men genom att addera en tunn aluminiumoxidfilm har ett forskarlag från Aalto-universitetet i Esbo och Tekniska universitetet i Barcelona lyckats få upp verkningsgraden till 22,1 procent – ett rekord för denna typ av celler.

Hele Savin, professor på Aalto-universitetet. Foto: Jouni Haarala

Hele Savin, professor på Aalto-universitetet.
Foto: Jouni Haarala

De aktuella solcellerna lämpar sig dessutom bra för nordliga breddgrader, då svart kisel kan fånga solstrålar från låga vinklar. Därmed kan cellerna producera el en större del av dygnet.
– Våra försök på vintern i Helsingfors visar att svarta celler genererar betydligt mer elektricitet än traditionella celler även om de har identiska effektivitetsvärden, berättar Hele Savin, professor på Aalto-universitetet som lett studien.

Att deras nya celler kommer att vara lika effektiva i stor skala som i försöken är något hon räknar med.
– Vi har just gjort klart en första modulprototyp och behöver testa hur den fungerar utomhus, men det finns inget skäl till att de inte skulle vara det, säger hon.

 Undviker sällsynta metaller

Ett problem som ofta presenteras i diskussioner kring ökad solcellsanvändning är att sällsynta jordartsmetaller och exotiska grundämnen som indium, gallium och rutenium används inom solcellsindustrin.

Dessa ämnen finns bara i mycket små mängder i andra malmer och bristen på dem kan enligt vissa bli ett hinder för en solcellsrevolution i större skala. Det är något som Hele Savin och hennes forskarlag tagit hänsyn till när de utvecklat sina celler.
– Vi använder kisel, ett av de mest rikligt förekommande ämnena i marken, och som metallkontakt använder vi aluminium och koppar som det också finns gott om. Min övertygelse är att endast teknologier med rikligt förekommande material som är säkra för miljön kommer att överleva i framtiden, säger Hele Savin.

Det är en övertygelse som hon delar med Mikael Höök, docent i naturresurser och hållbar utveckling samt lektor i globala energisystem vid Institutionen för geovetenskaper vid Uppsala universitet. Inom hans forskargrupp undersöker man hur tillgången på råvaror påverkar olika energisystem, och Höök har bland annat tittat på hur metallers tillgänglighet inverkar på möjligheterna att skala upp system med stor andel solceller.

Min övertygelse är att endast solcellsteknologier med rikligt förekommande material, som är säkra för miljön, kommer att överleva i framtiden

Materialfrågor vägs in

En slutsats han dragit är att forskare överlag borde tänka mycket mer på vilka resurser de använder till förnybara energiteknologier.

Mikael Höök, docent vid Uppsala universitet

Mikael Höök, docent vid Uppsala universitet

– Tyvärr finns en tendens att forskare fokuserar på att pressa upp verkningsgraden utan att ta hänsyn till materialaspekten, säger han och konstaterar att det kommer en hel del nya solcellstyper som ofta innehåller sällsynta metaller och exotiska grundämnen.

– Tanken är att de ska bli mer effektiva än traditionella kiselceller, och det finns exempel där man lyckats pressa upp verkningsgraden till uppemot 40 procent. Men hög verkningsgrad i labbet är inte mycket värd om brist på material gör att cellerna inte kan göra nytta som en betydande del av energiförsörjningen. Solcellsteknikerna måste i förlängningen gå att producera i stor skala och då måste materialfrågorna vägas in.

Förutom att större produktion av celler med den typen av ämnen kan bli omöjlig, så kan användning av resurser som det råder brist på generera nya problem, såsom restberg av kadmium eller andra oönskade biprodukter. Konkurrens om råvaror och gruvdrift har dessutom visat sig kunna leda till geopolitiska konflikter, poängterar Höök.

Konkurrerar med pekskärmar

Solceller är inte heller den enda teknik där sällsynta metaller och exotiska ämnen ingår – de används i allt från bilar till vapen – och till exempel indium är en viktig komponent i bland annat pekskärmar. Den konkurrens som råder om redan små tillgångar kan leda till att priserna på dessa råvaror trissas upp.

Och om solceller ska kunna få ett ordentligt genombrott som det ser ut idag krävs inte bara att de är effektiva, utan också att de är lönsamma på marknaden, konstaterar Mikael Höök, som tror att satsningar på effektivisering av kiselsolceller utan sällsynta och exotiska material är en bättre strategi för framtiden.

När det gäller de komponenter som ingår i Hele Savins aktuella solceller – kisel, aluminium och koppar – spår inte heller han något hinder vad gäller tillgång men konstaterar att koppar är dyrt.

Efterlyser politiska styrmedel

Kostnaden är också den största utmaningen som Helle Savin ser:
– Rent praktiskt finns ingen anledning till att våra celler inte skulle vara på marknaden inom de närmsta åren. Industrin kan göra dem högeffektiva i stor skala, det är inte det som är problemet. Frågan är om det blir tillräckligt lönsamt. Hur kostnadseffektiv vår teknik blir i jämförelse med andra moduler är avgörande och vi provar nu att göra cellerna med tunnare substrat och multikristalliserat kisel som är billigare och kommer att reducera priset på den färdiga cellen. Sådana kompromisser är troliga när det kommer till massproduktion.

Politiska styrmedel är annars något som skulle kunna underlätta utvecklingen av mer konkurrenskraftig teknik för förnybara energislag.
– Men då gäller det att politikerna vågar prioritera förnybar energi, konstaterar Mikael Höök.

 

Fotnot: Artikeln har tidigare varit publicerad i tidningen Forum för ekonomi och teknik

av J Krook/A Rökaeus

9 kommentarer:

  1. Kommentar från Dag Lindgren 6 mars 2016:

    Den explosiva utvecklingen av solkraft för elproduktion visar hur svårförutsebar utvecklingen är. För mig tedde sig den snabba utvecklingen senaste decenniet inte trolig för ett decennium sedan och speciellt inte i norra Sverige.
    Kanske solceller kan ersätta och överträffa fotosyntesen som en av civilisationens grundpelare? Kanske kan behovet av processer som släpper ut kol i atmosfären elimineras inom några decennier?
    Som framförs i artikeln har det mycket med material- och teknikutveckling att göra. Men det verkar finnas bättre underlag för optimism nu än för ett decennium sedan och staten bör finansiera forskning som kan leda till bättre solcellsystem.
    Vi måste pröva och satsa på alla möjligheter att förbättra förutsättningarna för världens framtida energiförsörjning och inte göra oss beroende av en möjlighet.
    Sol bör fortfarande ges ekonomiska påtagliga fördelar, bl a lägre skatt.

  2. Kommentar från Robin 8 mars 2016:

    Tänker ingen nämna att aluminium är en av de värsta metallerna att producera sett till hur gruvdriften ser ut? Utvinningsprocessen är miljövidrig och marknaden är korrupt.

    …Å andra sidan är det bättre att lägga den aluminium vi bryter på sånt här än på att producera burkar åt Coca cola…

  3. Kommentar från Sven-Olof Oresten 8 mars 2016:

    Ett lovvärt försök men under den mörka perioden måste vi ha annan el. Bäcken utanför fönstret kan ge mer el än solen ändå. I de flesta fall behöver vi effektuera vattenkraften och i vissa fall bygga ut. Vi slarvar för mycket med mest säkra till förmån av det som inte ger lika bra och säker el som vattenkraft. De generatorer som sitter i vindkraftverken kan producera mycket mer el i bäcken. Det behövs inte alltid vara stora verk som gör att tillgången på el kan säkras.

  4. Kommentar från Albert Bernhoff 8 mars 2016:

    Mycket bra att man inte behöver sällsynta metaller.
    Aluminium skall naturligtvis brytas under ordnade former och återvinnas maximalt.Höj panten.Vattenkraft från strömmande vatten är skonsamt för miljön och här kan man eventuellt bygga ut kraften i outnyttjade älvar.

  5. Kommentar från Agneta Svennebring 8 mars 2016:

    Visst är det glädjande att vi inte gör oss beroende av sällsynta jordartsmetaller. Tänker särskilt på tänkt gruva i N Kärr vid Vättern, som jag hoppas inte kommer igång.
    Sedan hoppas jag på återvinning av aluminium med mera. Återvinningsindustrierna borde få bättre villkor .

  6. Kommentar från Lars Gerre 8 mars 2016:

    Utbyggnad av vattenkraft i outbyggda älvar är inte alls skonsamt för miljön. Det har ofta lett till en kraftig ekologisk utarmning av många vattendrag. Man kan exempelvis se vad som har hänt med vandrande fisk, överdämda älvdalar med mera. Många kraftverk byggdes under 50- och 60-talen då man inte direkt prioriterade miljö- och naturvård. De tusen minsta vattenkraftverken i Sverige producerar sammanlagt cirka 0,5 % av all el från vattenkraft. Dessa bör installera fungerande faunapassager eller tas bort eftersom de producerar så lite el i förhållande till den skada de gör på livet i vattendragen.

    • Kommentar från Sven 12 mars 2016:

      Det talas aldrig om att reglerade älvar har sämre syresättning av sitt vatten än oreglerade.

  7. Kommentar från Josef Boberg 23 mars 2016:

    Bra artikel om solceller – och om att kombinera solceller med grafen-batterier på min blogg här https://josefboberg.wordpress.com/2008/03/28/the-energy-non-crisis/

  8. Kommentar från gunilla sjöberg 4 april 2016:

    Jag är glad över att dessa viktiga erfarenheter har kommit fram. Vi har en liten kolonistuga, 30 kvm på Ekerö och vi har väntat på bättre pris men också säkrare material så denna info ovan känns väldigt bra, kan vi också få tips om en leverantör är vi beredda att slå till.

Vad tycker du? Kommentera :

Extrakts kommentarsfält är modererat. Vi förbehåller oss rätten att radera eller beskära poster som till exempel innehåller reklam, personangrepp, rasistiskt eller sexistisk innehåll, alternativt länkar till sidor där sådant innehåll förekommer.