Solceller: for tidligt at fastfryse teknologien?

Solcellers effektivitet

Omdannelse af sollys til elektricitet er omfattet af termodynamikken, som giver den maksimale effektivitet som funktion af temperatur-forskellen mellem varmekilde og omgivelserne på brugsstedet. Da solens overfladetemperatur er ca. 6000K, bliver den termodynamiske effektivitetsgrænse omkring 95%. Denne kan imidlertid ikke nås samtidig med maksimal elektricitetsproduktion. Cristiana Hornsberg har vist at den teoretiske maksimum-effektivitet af el-producerence solceller bliver 87%. I praksis kan denne effektivitet kun nås med en stak af uendelig mange lag af lys-absorberende materialer med forskellige placeringer af stoffets kvantemekaniske tilstande (båndgab). For dagens silicium solceller bliver maksimum-effektiviteten så 48%. I praksis er opnået 25%, og gennemsnitlige celler købt i supermarkedet har en effektivitet på 15%.

Martin Green står for de fleste hidtidige solcelle-effektivitets rekorder. Han mener at vi efter monokrystallinske celler (1. generation) og multikrystallinske tynd-films celler (2. generation) nu står over en "3. generation" af celler, baseret på nye teknologier såsom de stakkede tyndfilms-celler, han selv har under udvikling i firmaet Pacific Solar. Figuren ovenfor (tegnet af A. Goetzberger) indeholder målte værdier i venstre halvdel, og meget frihåndstegnede extrapolationer på højre side.

NOVATOR’s vurdering af fremtidens solceller:

Der er tre faktorer som kan ændre solcelle-produktionen fremover:

  1. fremkomsten af en række helt nye teknologier
  2. benyttelse af nanoskala materialer (med sænkning af materialeprisen til følge)
  3. udnyttelse af selv-samlende ("self-assembly") strukturer (med sænkning af fremstillingsprisen til følge)

De nye teknologier vil blive beskrevet nedenfor. Imidlertid kan traditionel multikrystallinsk silicium produktion drage nytte af de to sidste punkter, såvel som af nye koncepter som stadig baserer sig på de i dag forhandlede fotovoltaiske celler (sammenføjede p- og n-type halvledermaterialer). Z. Kuznicky et al. har i Frankrig har arbejdet med en nanoskala flerlags-silicium solcelle der som vist på tunnel elektronmikroskopbilledet indeholder et 65nm tykt lag af amorft silicium mellem to krystallinske lag. D. Meier et al. har i USA produceret sølv-kontaktmateriale som selv leverer den ønskede doping (procentdel af fremmedatomer) – ikke en selv-samling, men et skridt på vejen med at eliminere produktions-trin. Endelig har A. Muntaz et al. i England udviklet en praktisk metode til at realisere den gamle idé med at integrere vekselretteren i den enkelte celle.

En hel generel metode til at udnytte solcellerne bedre er naturligvis at udnytte såvel elektricitet som den varme der ikke kan undgår at udvikles i cellerne. Snesevis af koncepter er kommet frem det seneste år, inklusiv flere udviklet for den danske energistyrelse (se f.eks. http://www.danbbs.dk/~novator under projekter og http://mmf.ruc.dk/energy under downloads).

Nye solcelle koncepter

En række laboratorier arbejder med at udvikle "plastic solceller", hvor den klassiske halvleder p-n sammenføjning er erstattet af to polymerer, normalt med en mere udtværet overgang. Absorptionen af sollys i disse polymerer er meget beskeden, og til solcellebrug er det derfor vigtigt at øge absorptionen af lys ligesom i PEC solcellernes meget store indre overflade af et lysabsorberende farvestof. En løsning for polymer-cellerne har vist sig at være anvendelsen af C-60 type molekyler (hvis fodboldlignende struktur somme tider benævnes Fullerener efter arkitekten B. Fuller, som tegnede huse med et lignende layout).

Det netværk som dannes mellem polymerer og C-60 molekyler i overgangslaget kan give anledning til betydelig øgning af lysabsorptionen, når en absorberet energimængde anvendes til at flytte en elektron fra polymer til C-60, hvor den finder en energimæssigt favorabel exciteret tilstand. Den temporære lagring af elektronen i C-60 mindsker sandsynligheden for at lyset blot reflekteres fra polymererne, og resultatet er bedre mulighed for en uforstyrret transport af elektroner gennem de to typer af polymer-kæder, ud til eller fra elektroderne. C-60s båndgab-struktur er ikke helt match’et til sollys, og effektiviteten af disse polymer-solceller ligger foreløbig under 3%. Der arbejdes med disse problemer for polymer solceller i Tyskland, Østrig, Holland, og i Danmark har K. Bechgaard interesseret sig for problematikken.

PEC solceller (foto-elektro-kemiske solceller) er celler, hvor der ikke er nogen p-n overgang, men hvor lysabsorptionen primært sker i et farvestof, der sidder på overfladen af en nano-porøs elektrode (og derfor har en meget stor indre overflade der kan absorbere). Der sker også en smule absorption i selve elektroden (der typisk er anatas, en struktur af titanium-oxid), og farvestoffet benævnes ofte "sensitiser", fordi det forøger følsomheden/absorptionen med mere end en faktor omkring 1000. De fleste laboratorier har de seneste år benyttet et ruthenium-baseret farvestof, omend der er andre muligheder. Der har været udtrykt bekymring om levetiden af farvestoffet, men nu har en grundig undersøgelse af A. Hinsch et al. vist at der i hvert fald for det ofte benyttede Ru-farvestof N3 kan ventes en levetid på 5-10 år, hvilket er bedre end frygtet men stadig i underkanten af de kommercielle ønsker. Andre stabilitetsproblemer knytter sig til elektrolytten, der ligesom i batterier må ventes at ophobe et stigende antal urenheder og efter en årrække (typisk 5) bliver ubrugelig. Erstattes elektrolytten med et fast stof, f.eks en polymer, stiger levetiden (og PEC cellen kommer til at ligne den ovenfor omtalte polymer-celle), men elektronoverførslerne fra farvestof til nu to faste stoffer vanskeliggøres. Effektiviteten af de bedste PEC celler ligger i dag omkring 10%.

Demonstrations-programmernes betydning

Der har været to bølger af PV-demonstrationsprogrammer, en i 1980erne og en nyere der stadig er i gang. Formålene med demonstrationsprogrammer er bl.a.

  1. at lære mere om systemernes praktiske funktion og holdbarhed under realistiske forhold
  2. at give industrien et niche-salg af PV systemer, der kan bidrage til at virksomhederne intensiverer deres R&D og investerer i nyt produktionsudstyr, med prissænkninger til følge
  3. at give brugerne et første indtryk af fremtidens teknologi, og dens eventuelle tilvænningsproblemer.

.

Programmerne i de tidlige 80ere var beskedne men bidrog til de nævnte formål. Få af systemerne var teknisk tilfredsstillende, og energiproduktionen var ofte under det forventede. Det seneste ti-års programmer har været større, fra 1000 soltage til en million soltage, og støtten har omfattet såvel direkte kontanthjælp til solcelle-købere som tilbagekøbs-rater for strøm produceret fra solceller, som strækker sig fra en fair betaling for at undgå fossil og nukleær elektricitets miljøproblemer, til en støtte på flere kroner pr. KWh, som kun kan begrundes i at teknologien ellers ville være for dyr selv for meget miljøbevidste firmaer og enkeltpersoner. På figurerne ses produktionen i de lande som rapporterer til IEA, samt prisudviklingen for komplette solcellesystemer i Tyskland, et af de lande som har satset store midler på demonstration af PV-teknologien.

Produktionstallene viser at der er et stort marked for ikke-nettilsluttede systemer (i udviklingslande), men at den største vækst de senere år har været netop i de decentrale programmer med kraftig program-støtte. Her viser de tyske installationspriser, at prisudviklingen er vendt, og at priserne nu stiger, stik imod hensigten med støtteprogrammerne. Det er nærliggende at slutte, at efterspørgslen fra det "kunstige" marked har været så stor, at fabrikanterne ikke har haft noget incitament til at sænke priserne. Om støtten har stimuleret teknologiudviklingen er sværere at sige: det må formodes at tilføjelse af ny produktions-kapacitet vil styrke den nyeste teknologi, men samtidig har den store efterspørgsel skabt flaskehalse (f.eks. den tidligere i nyhedsbreve omtalte mangel på silicium-råmateriale til solcelleproduktionen, et problem som nu synes at være under løsning). En kendsgerning er det at den tilførte nye kapacitet ikke har satset på radikale nye koncepter, om end der er sket en forskydning fra krystallinske til multikrystallinske celletyper, og en række forsøg på at gå fra silicium-baserede celler til nye halvleder-materialer med (endnu uindfriede) håb om højere effektivitet.

Det er nærliggende at spørge, om omfanget af demonstrationsprogrammer har været for stort, og at dette har ført til ren industristøtte snarere end incitament til prisreduktion. En faktor i dette ræsonnement er at de firmaer som fremstiller solceller (Siemens, BP, Shell, osv.) næppe er den type industri som skal have statsstøtte for at få råd til udviklingsarbejde.

Et "window of opportunity"?

Hvad nu hvis den p.t dominerende solcelle-type er et sidespor, og det gælder at komme tilbage til en udviklings-vej, der fører til væsentlige prisreduktioner? Den traditionelle PV-industris manglende evne til at levere den ønskede prisreduktion har skabt en åbning, et "window of opportunity", for at radikalt anderledes koncepter kan overtage markedet. Det gælder alle de ovenfor nævnte nye koncepter. Det forudsætter imidlertid, at de kan udnytte vinduet nu, og ikke ligesom PV industrien skal have 40 års udviklingstid. Det kræver også, at de ikke bliver løbet over ende af den etablerede storindustri, for hvilken solcelleproduktion er en lille del af den samlede aktivitet. De nye teknologier har enten endnu ikke nået produktions-stadiet, eller de produceres af små firmaer, som har et langt større behov for offentlig støtte i en fase, hvor de forsøger at introducere et nyt (og forhåbentlig bedre) produkt end det som de store firmaer sælger. Ikke desto mindre betaler det offentlige i Vesteuropa, USA og Japan i dag mammut-subsidier til de store firmaer, mens de nye teknologier kun bliver tilgodeset med yderst beskedne F&U-midler. Man kunne sige at støtteprogrammerne hjælper de etablerede industrier til at holde små, nytænkende firmaer ude. Det er måske på dette område, at vore regeringer bør udfolde deres nytænkning?

Kilder: 17. European PV energy conference, München 2001, EU’s bøger om PV projekterfaringer. IEA PVPS statistik.