Solceller - Forskning ved Fakultet for naturvitenskap
Solceller - Bærekraftig forskning for fremtiden
- Forskning ved Fakultet for naturvitenskap
Hva gjør samfunnet med høye strømpriser som er utfordrende for næringsliv og privathusholdninger?
Solceller kan være del av løsningen. Her har NTNUs forskning en viktig rolle for å få frem rimelige alternativer for en bærekraftig fremtid.
Solceller - viktig del av det grønne skiftet
En solcelle omdanner solenergi direkte til elektrisk energi. Den elektriske energien kan brukes i et elektrisk apparat, den kan lagres i batterier eller brukes i for eksempel en solcellepanel.
Solceller er et av de viktigste forskningsområdene ved NTNU innenfor satsingsområdet energi og bærekraft. Fakultet for naturvitenskap (NV) har en sentral rolle i forskningen å ta frem materialer til fremtidens solceller. Forskningen inkluderer også silisiumproduksjon, raffinering og resirkulering.
Et fundamentalt mål med forskningen er å utvikle solceller med høy effektivitet som likevel har en lav produksjonskostnad. Et annet mål med forskningen er å sørge for liten miljøpåvirkning ved produksjonen av solceller.
Aktiviteter knyttet til NTNU Energy Team Solar
Solceller av silisium
Solceller av silisium er de første solcellene som ble produsert for kommersielt bruk. De produseres i store blokker som kalles for "ingots". Disse deles opp og skjæres i tynne skiver kalt "wafers". For å få mest effektiv energibruk kreves så ren silisium som mulig. Her er 99,999% ikke rent nok. Vi trenger metoder som gjør silisiumet enda renere.
NTNU forsker på både mono- og polykrystallinsk silisum. I monokrystallinsk silisium består strukturen av en krystall. Dette medfører at materialet har veldig få defekter. Denne strukturen lages ved at du tar utgangspunkt i en kime, som du dypper i smeltet silisium, og så vil det kondensere i det krystall-mønsteret som kimen du har. Polokrystallinsk silisium fremstilles ved så kallet rettet størkning. Her lempes alt silisiumet oppi en smeltedigel, varmes og kjøles fra bunnen av. Du får da flere krystaller som er litt tilfeldig orientert og de vokser litt hulter til bulter, noen raskere enn andre.
Utfordringen med solceller av silisium var tidligere at de var veldig kostbare, men nå er prisene rimeligere for konsumenter. NTNU forsker på hvilke metoder som kan skape den beste utvinningen for fremtiden.
Eksempler på forskningsområder
- Krystallisering
- Mono- og polykrystallinsk silisium
- Avansert karakterisering
- Silisiumproduksjon og raffinering
- Effektivitet hos solceller
Involvert institutt
Institutt for materialteknologi
Forskningsgruppe
Fysikalsk metallurgi (nettside på engelsk)
3. generasjon mellombåndsolceller
Tredje generasjonen solceller er i stand til å nå dramatisk høyere verdier av effektivitet enn det som er mulig med de mest brukte teknologiene i dag. NTNU forsker på mulighetene å produsere veldig små solceller som også kan være kostnadseffektive.
En typisk solcelle kan omdanne sirka 20-25% av den absorberte energien til strøm. Første og andre generasjonens solceller har en teoretisk øvre effektivitetsgrense på sirka 33%, samtidig som høyeffektive solceller av tandemceller med 5 ulike materialer har en øvre grense på 57%. Tandemceller er høyeffektive for at de utnytter større deler av solspekteret ved å legge to eller flere celler av ulike materialer oppå hverandre, slik at hvert lag kan absorbere en bestemt del av spekteret. Ulempen med tandemceller er at de kommer med en veldig høy kostnad.
NTNU forsker på å ta frem så kallede mellombåndceller som et alternativ. Mellombåndceller kan utnytte en større del av energispekteret. Da kan du få mer strøm og mer spenning samtidig, som i tandemceller, men med et mye enklere celledesign som består av mye færre lag enn tandemceller.
Eksempler på forskningsområder
- Perovskitter (Kalsiumtitanat - CaTiO3)
- Tandem- og mellombåndsolceller
Involverte institutter
Institutt for fysikk
Institutt for materialteknologi
Forskningsgruppe
Mellombåndsolceller (nettside på engelsk)
Annen forskning på solceller ved NV-fakultetet
Solceller og fotoelektrokjemisk teknologi
Organiske elektroniske materialer
Forskning på fotosystemer for elektrisk energi og høyverdikjemikalier
Dette er en kategori av solfangende teknologier som har mye til felles med naturens egen fotosyntese. Felles for alle teknologiene innen dette fagområdet er at de har som mål å gjøre solenergi billigere og dermed mer tilgjengelig verden over. Sentralt for alle teknologiene er å finne et materiale som absorberer så mye sollys som mulig og som kan overføre energien til et elektron som deretter kan gjøre arbeid. Elektronet kan ledes vekk i en elektrisk krets og man får en naturinspirert solcelle. Eksempler på denne typen solceller er f.eks. dye-sensitized solar cells (DSSC) og perovskittsolceller. Under innendørs belysning har DSSC solceller rekord blant alle solcelleteknologier på 34.5% effektivitet, og perovskittsolceller er en kommende konkurrent til silisiumsolceller med effektiviteter på 24.4% under fullt sollys.
Den fangede energien kan også brukes til drive andre kjemiske reaksjoner som kan gi verdifulle kjemikalier eller drivstoff som produkter. Eksempler på det kan være vannsplitting for å produsere bærekraftig hydrogengass, omdanne CO2 til metan eller å omdanne nitrogen til ammoniakk.
På NTNU forskes det på hele prosessen fra design og fremstilling av solfangende materialer til produksjon og testing av solceller. Hovedfokuset har vært å forstå hvordan solfangstmaterialene fungerer og hvordan de kan optimaliseres for å fange så mye sollys som mulig.
Eksempler på forskningsområder
- Dye-sensitized solar cells
- Organiske halvledere og karbonbaserte nanomaterialer
- Perovskittsolceller
- Hydrogenproduksjon og andre drivstoff fra solenergi
Involvert institutt
Institutt for kjemi
Institutt for materialteknologi
Forskningsgruppe
Organisk kjemi (nettside på engelsk)
Kontaktperson
3 generasjoner av solceller
Solceller deles ofte inn i tre generasjoner og NTNU er aktiv innenfor alle tre.
Den første generasjonen er bygget av krystallinsk materiale, ofte silisium. Denne type solceller hadde et relativt høyt pris, men de siste årene har de blitt rimeligere.
Andre generasjonen solceller kom som et kostnadseffektivt alternativ og produseres i andre materialer, f.eks. tynnfilmsolceller. Disse solcellene har fordelen at de er veldig tynne, men ulempen er at de ikke er så effektive.
I tredje generasjonen solceller forskes det på å få frem både høyeffektive og kostnadseffektive solceller. Her har forskningen kommet langt, men det er begrenset med kommersielle produkter ute på markedet. Blant annet tas teknologi fra forskningen i bruk av satellitter.
NTNU Energi
NTNU Energi er ett av fire strategiske satsingsområder på NTNU.
NTNU Energi representerer NTNUs energiforskning og universitetets 600 forskere innen energifeltet.
NTNU Energi Team Sol
NTNU Energi Team Sol er et av NTNU Energis ni tverrfaglige forskerteam. Forskerteamet består av eksperter på solenergi innen ulike fagområder, institutter og fakulteter ved NTNU som jobber langs hele verdikjeden innen solenergi - fra grunnforskning til sluttbruk.
Teamet er en møteplass for å dele forskning og erfaringer på tvers av fagområder, for å finne måter å samarbeide på og å fremme nye felles initiativer. I tillegg er teamet en inngangsport for alle som ønsker å komme i kontakt med NTNU forskere og forelesere innen teamet solenergi.
Eksempler på forskning
Slik kan en bedre bakeform gi mer effektiv solcelleproduksjon
Blogginnlegg skrevet av Gabriela Kazimiera Warden
Formene solcellematerialet lages i, påvirker både produksjonsprosessen og kvaliteten på ferdige solceller. Hvordan kan man lage dem best mulig? – Det forsker jeg på.
For å kunne produsere nok solceller til det grønne skiftet, må nåværende produksjonsprosesser optimaliseres. Utgangspunktet når man i dag lager solceller er en slags bakeformer laget av spesialtilpasset sand. Jo bedre bakeformen er – jo bedre kvalitet får solcellene. Dette forsker jeg på i mitt doktorgradsarbeid.
➡ Les mer i NTNUs blogg for teknologi og naturvitenskap (TekNat)