Solcellsrevolution utan sällsynta metaller

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.

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.

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.

– 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