Ny typ av solceller testas i rymden

Fysikforskare vid Lunds universitet lyckades nyligen bygga små solslukande antenner – nanotrådar – med tre olika material som bättre matchar solspektrat jämfört med dagens kiselsolceller. Eftersom nanotrådarna är lätta och kräver lite material per ytenhet ska de nu testinstalleras på satelliter, vilka drivs av solceller och där verkningsgrad i kombination med låg vikt är A och O. För några dagar sedan skickades de ut i rymden.

En grupp nanoteknikforskare vid Lunds universitet som sysslar med solceller gjorde förra året ett genombrott: De lyckades med bedriften att bygga fotovoltaiska nanotrådar med tre olika bandgap. Vilket med andra ord betyder att en och samma nanotråd består av tre olika ämnen som reagerar på olika delar av solljuset. Resultaten har publicerats i Materials Today Energy och därpå mer ingående i Nano research. 

– Den stora utmaningen var att få strömmen att föras vidare mellan materialen. Det tog mer än tio år men gick till slut, säger Magnus Borgström, professor i fasta tillståndets fysik som skrivit artiklarna tillsammans med sin dåvarande doktorand Lukas Hrachowina.

Det finns ett tiotal forskargrupper i världen som aktivt sysslar med nanotrådssolceller.

– Utmaningen har varit att kombinera olika bandgap i solcellerna och nu är den dörren alltså äntligen öppnad, säger Magnus Borgström.

Inte bara kisel framöver
Solceller med olika bandgap, så kallade tandemsolceller, finns än så länge framförallt på satelliter och forskas febrilt på. Målet är att därigenom få upp verkningsgraden rejält, från dagens kommersiella kiselsolceller kring 20 procent till kanske det dubbla.

– Kiselselsolcellerna har snart nått sin maxgräns i verkningsgrad. Därför vill man nu utveckla tandemsolcellerna istället. De varianter som finns på satelliter är för dyra för att sätta på taken, säger Magnus Borgström.

Den vanligaste sättet att bygga tandemsolceller är att odla olika halvledande material ovanpå varandra och som kan absorbera olika delar av solens spektrum. Tandemsolceller med kisel som bas är ett hett fält och för detta odlas tunna, halvgenomskinliga, skikt av andra ljusinfångande material ovanpå kislet.

Bygger på höjden istället
Forskarna i Lund gör på ett lite annat sätt: de har utvecklat en metod där de bygger extremt tunna stavar av halvledande ämnen på ett substrat. Fördelen blir lite material per ytenhet vilket kan sänka tillverkningskostnaderna och bli ett mer hållbart alternativ.

De nanometertjocka pinnarna består av tre material som innehåller olika mängder Indium, arsenik, gallium och fosfor.  I labbet har forskarna hittills nått en verkningsgrad på 16,7 procent. Kollegan Yang Chen har visat att nanotrådssolcellerna har potential att nå 47 procents verkningsgrad med nuvarande struktur. För att nå ännu högre verkningsgrad behövs ännu fler bandgap.

Tålig spikmatta klarar farlig strålning
I nästa steg kommer han och hans kollegor att optimera trippeldioderna genom att förbättra de så kallade tunnelövergångarna som sammanbinder de olika material i strukturen samt försöka minska effekten av nanotrådarnas yta som blir väldigt viktig på nanoskalan.  För detta beviljades han nyligen projektmedel från Knut och Alice Wallenbergs stiftelses satsning på hållbara material, WISE.

Utöver deras förstärkta ljusabsorption utmärks nanotrådssolcellerna av att vara tåliga och kan till exempel klara den farliga strålning som finns i rymden bättre än motsvarande tandemsolceller som är byggda som filmer.

– En platta med nanotrådar kan liknas vid en mycket gles spikmatta. Skulle det komma några aggressiva protoner, vilket händer då och då, landar de sannolikhet emellan trådarna och skulle de råka slår ut några gör trådar det inte så mycket. Skadorna kan bli värre om de landar på en vanlig tunnfilm.

Testas i rymden under våren

Dessa fördelar gör att nanotrådssolcellerna nyligen monterades på en forskningssatellit som andra veckan i januari skickades ut i rymden av forskarnas samarbetspartner vid California Institute of Technology, Caltech, i USA.

– Mycket av vår digitala kommunikation styrs av satelliter, vilka i sin tur drivs av solceller. Satelliter förmedlar GPS, tv-sändningar, datatrafik, mobilsamtal och väder.

Satelliten kommer vara ute under våren, och resultat väntas komma löpande.

På sikt tror Magnus Borgström att tandemsolceller också komma hamna på jorden. Fast solceller helt utan kisel kommer, åtminstone i inledningsvis, först appliceras i nischapplikationer som till exempelvis kläder, fönster och inredning, tror han.

För mer information, kontakta Magnus Borgström, professor Fasta tillståndets fysik Lunds universitet -, tel +46 46 222 14 94  e-post magnus.borgstrom@ftf.lth.se

Artiklar

“Realization of axially defined GaInP/InP/InAsP triple-junction photovoltaic nanowires for high-performance solar cells” was published by Lukas Hrachowina, Yang Chen, Enrique Barrigón, Reine Wallenberg, and Magnus T. Borgström in Materials Today Energy: https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101050

“Development and characterization of photovoltaic tandem-junction nanowires using electron-beam-induced current measurements” was published by Lukas Hrachowina, Enrique Barrigón, and Magnus T. Borgström in Nano Research: https://doi.org/10.1007/s12274-022-4469-1

För mer information, kontakta Magnus Borgström, professor Fasta tillståndets fysik Lunds universitet -, tel +46 46 222 14 94  e-post magnus.borgstrom@ftf.lth.se https://portal.research.lu.se/en/persons/magnus-borgstr%C3%B6m