211service.com
Ett material som kan göra solenergi smuts billigt
En ny typ av solcell, gjord av ett material som är dramatiskt billigare att få tag på och använda än kisel, skulle kunna generera lika mycket energi som dagens råvarusolceller.
Även om potentialen i materialet precis har börjat förstås, har det fångat uppmärksamheten hos världens ledande solenergiforskare, och flera företag arbetar redan med att kommersialisera det.
Forskare som utvecklar tekniken säger att det kan leda till solpaneler som kostar bara 10 till 20 cent per watt. Solpaneler kostar nu vanligtvis cirka 75 cent per watt, och det amerikanska energidepartementet säger att 50 cent per watt kommer att tillåta solenergi att konkurrera med fossilt bränsle.
Tidigare har solforskare delats upp i två läger i jakten på billigare solenergi. En del har sökt solceller som kan tillverkas väldigt billigt men som har baksidan av att vara relativt ineffektiva. På senare tid har fler forskare fokuserat på att utveckla mycket högeffektiva celler, även om de kräver dyrare tillverkningsteknik.
Det nya materialet kan göra det möjligt att få det bästa av två världar – solceller som är mycket effektiva men också billiga att tillverka.
En av världens främsta solforskare, Martin Green vid University of New South Wales, Australien, säger att de snabba framstegen har varit överraskande. Solceller som använder materialet kan tillverkas med väldigt enkel och potentiellt mycket billig teknik och effektiviteten stiger väldigt dramatiskt, säger han.
Perovskiter har varit kända i över ett sekel, men ingen tänkte prova dem i solceller förrän relativt nyligen. Det speciella materialet forskarna använder är mycket bra på att absorbera ljus. Medan konventionella kiselsolpaneler använder material som är cirka 180 mikrometer tjocka, använder de nya solcellerna mindre än en mikrometer material för att fånga samma mängd solljus. Pigmentet är en halvledare som också är bra på att transportera den elektriska laddningen som skapas när ljus träffar den.
Materialet är smutsbilligt, säger Michael Grätzel, som är känd inom solcellsindustrin för att ha uppfunnit en typ av solcell som bär hans namn. Hans grupp har producerat de mest effektiva perovskitsolcellerna hittills – de omvandlar 15 procent av energin i solljus till elektricitet, mycket mer än andra billiga solceller. Baserat på dess prestanda hittills och på dess kända ljusomvandlingsegenskaper, säger forskare att dess effektivitet lätt kan stiga så högt som 20 till 25 procent, vilket är lika bra som rekordeffektiviteten (som vanligtvis uppnås i laboratorier) av de vanligaste typerna av solceller idag. Effektiviteten för massproducerade solceller kan vara lägre. Men det är vettigt att jämföra labbeffektiviteten för perovskitcellerna med labbposterna för andra material. Grätzel säger att perovskit i solceller sannolikt kommer att visa sig vara ett förlåtande material som behåller hög effektivitet i massproduktion, eftersom tillverkningsprocesserna är enkla.
Perovskite solceller kan göras genom att sprida pigmentet på en skiva av glas eller metallfolie, tillsammans med några andra lager av material som underlättar förflyttning av elektroner genom cellen. Det här är inte riktigt de spray-på solceller som vissa människor har föreställt sig – ett sci-fi-ideal för att omedelbart omvandla vilken yta som helst till en som kan generera elektricitet – men processen är så enkel att den närmar sig. Det är högst osannolikt att någon någonsin kommer att kunna köpa en balja med 'solfärg', men alla lager i solcellen kan tillverkas lika enkelt som att måla en yta, säger Henry Snaith, fysiker vid Oxford University, som , som arbetar med forskare i Asien, har publicerat några av de bästa effektiviteterna för den nya typen av solceller.
När perovskiter första gången testades i solceller 2009 var effektiviteten låg – de omvandlade bara cirka 3,5 procent av energin i solljus till elektricitet. Cellerna höll inte heller särskilt länge, eftersom en flytande elektrolyt löste upp perovskiten. Forskare hann knappt testa dem innan de slutade arbeta. Men förra året löste ett par tekniska innovationer – sätt att ersätta en flytande elektrolyt med fasta material – dessa problem och startade forskare i en kapplöpning för att producera allt effektivare solceller.
Mellan 2009 och 2012 fanns det bara en tidning. Sedan i slutet av sommaren 2012 drog det igång, säger Snaith. Verkningsgraden fördubblades snabbt och fördubblades sedan igen. Och effektiviteten förväntas fortsätta växa när forskare tillämpar tekniker som har visat sig förbättra effektiviteten hos andra solceller.
Snaith arbetar med att kommersialisera tekniken genom en startup som heter Oxford Photovoltaics, som har samlat in 4,4 miljoner dollar. Grätzel, vars ursprungliga solcellsteknik nu används i konsumentprodukter som ryggsäckar och iPad-skal, licensierar ut den nya tekniken till företag som har som mål att ta sig an konventionella kiselsolpaneler för storskalig solenergiproduktion.
Precis som alla andra nykomlingar på den mycket konkurrensutsatta marknaden för solpaneler kommer perovskiter att ha svårt att ta till sig kiselsolceller. Kostnaderna för kiselsolceller sjunker, och vissa analytiker tror att de så småningom kan sjunka så lågt som 25 cent per watt, vilket skulle eliminera det mesta av kostnadsfördelarna med perovskiter och minska incitamentet för att investera i den nya tekniken. Tillverkningsprocessen för perovskitsolceller – som kan vara så enkel som att sprida en vätska över en yta eller kan involvera ångavsättning, en annan storskalig tillverkningsprocess – förväntas vara lätt. Men historiskt sett har det tagit över ett decennium att skala upp nya solcellsteknologier, och ett decennium från nu kan kiselsolceller vara för långt fram för att fångas.
Green säger att en möjlighet kan vara att använda perovskiter för att utöka istället för att ersätta kiselsolceller. Det kan vara möjligt att måla perovskiter på konventionella kiselsolceller för att förbättra deras effektivitet och på så sätt sänka den totala kostnaden per watt för solceller. Detta kan vara ett enklare sätt att ta sig in på solenergimarknaden än att försöka introducera en helt ny sorts solcell.
En utmaning kan vara det faktum att materialet innehåller en liten mängd bly, som är giftigt. Tester kommer att behövas för att visa hur giftigt det är som en del av perovskitmaterialet. Åtgärder kan också vidtas för att säkerställa att solcellerna samlas in och återvinns för att förhindra att materialen kommer ut i miljön – det tillvägagångssätt som nu tillämpas med bly-syra startbatterier som används i bilar. Det kan också vara möjligt att ersätta bly i cellerna med tenn eller något annat element.