Wallenberg Academy Fellows

Hon utvecklar billigare och miljövänligare solceller

I länder som Tyskland och Italien kommer redan fem procent av all el från solceller. Men för ett större genombrott krävs ännu effektivare och billigare solceller. För att minska tillverkningskostnaden och underlätta storskalig produktion ska Charlotte Platzer Björkman som Wallenberg Academy Fellow göra tunnfilmssolceller av helt nya material.

I skolåldern ville Charlotte Platzer Björkman bli journalist. Men även fysikintresset väcktes tidigt och lockade till slut mest. Särskilt fascinerades hon av elektriska egenskaper hos material, och via ingenjörsstudier och ett examensarbete på ABB i Västerås kom hon att ledas in på forskarbanan.

– Från början hade jag inte en tanke på att bli forskare, men på ABB Corporate Research var alla disputerade och slog ett slag för den akademiska världen. Så kom det sig att jag hamnade i Uppsala och började med solceller.

Brist på råvaror

Marknadens just nu mest slagkraftiga tunnfilmssolceller är kadmiumtellurid och ett material som kallas CIGS. De har båda visat en effektivitet på omkring 20 procent när de omvandlar solenergi till el. Men i dessa solceller ingår tellurium och indium, båda mindre vanliga grundämnen där indium är ungefär lika sällsynt som silver och väldigt dyrt. Därför är de inte särskilt lämpade för massproduktion på längre sikt. EU har till och med placerat indium på en kritisk lista med 13 grundämnen.

– En bidragande orsak till det höga priset på indium kan vara att Kina står för majoriteten av gruvbrytningen, och i dagsläget används en stor del vid tillverkningen av plattskärmar. Man ser ingen omedelbar brist, men det finns en risk för begränsningar om användningen fortsätter att skalas upp i samma takt.

Och nu har Platzer Björkman ett nytt solcellsmaterial på gång, där sällsynta och dyra metaller har ersatts av billigare och mer lättillgängliga grundämnen: koppar, zink, tenn och svavel. Fyrkomponentsblandningen kallas CZTS.

– När jag började som doktorand hördes pratet ”om solceller kommer”, men nu har vi redan passerat det stadiet. Nu har kostnaderna pressats så att vi kommer att se alltmer av solceller. Och då blir tillgänglighetsaspekterna mycket viktiga.

Långsiktiga lösningar

Strävan är att hitta långsiktigt hållbara lösningar. Men det går inte att teoretiskt räkna fram vilka material som fungerar, utan det krävs direkta experiment, förklarar Platzer Björkman.

Visserligen kan man ta reda på vilka material som absorberar solljus i rätt matchning mot solspektrat eller hur effektiv energiöverföringen i teorin är i gränsskikten mellan olika material. Men när alla parametrar läggs samman blir det svårare att göra teoretiska förutsägelser. Mängden möjliga defekter i materialen och gränsskikten blir i praktiken helt enkelt för stor.

– Vi vill ju få fram den större bilden, som att ta reda på vilka material som har lång livslängd och i vilka material man kan få elektronerna i mål, utan att de tappas bort på vägen. Helst också i material som tillåter många defekter, det vill säga polykristallina material som är uppbyggda av många små korn och som är billigare och inte lika energikrävande att tillverka.

Högre verkningsgrader

Det nya materialet CZTS har många av de önskade egenskaperna. Men verkningsgraden når än så länge bara strax över 12 procent, och det krävs 20 procent för att materialet ska kunna bli användbart i framtiden, säger Charlotte Platzer Björkman.

– Det måste vara en hög verkningsgrad, för man ska komma ihåg att det inte bara är det aktiva materialet som kostar. Det krävs även ett frontglas som ska vara stabilt i tjugo år mot till exempel hagel, och man har konverterare i de stora systemen samt stora kostnader för infrastrukturen. Egentligen tror jag inte alls på konceptet med låg verkningsgrad, förutom för nischer som vissa leksaker till exempel.

Förmodligen krävs det flera drastiska steg om CZTS ska kunna nå den efterlängtade nivån. En lösning kan vara att förändra solcellens fram- och bakkontakter, en annan att byta ut något av materialen. Tenn kan exempelvis ersättas av kisel, men det återstår att se hur materialkvaliteten skulle påverkas av detta.

"Först är det bara pirr och glädje, och sedan känns det speciellt att anslaget är långsiktigt och stort så pass tidigt i karriären. Det ger ett lugn och en arbetsro. Nu kan jag verkligen tänka framåt och behöver inte känna mig stressad, utan kan fokusera på att bygga upp nästa steg i forskningen. Man måste ha tålamod och inte förlora sig i kortsiktigheter, utan lyfta blicken och se det riktigt långsiktiga för att hålla riktningen."

Multisolceller kan bli lösningen

Genom att variera blandningen går det också att få fram solceller som fångar ljus av olika våglängd. Om olika slags tunnfilmssolceller läggs i lager ovanpå varandra, kan solcellen matcha en bredare del av solens spektrum.

Det kan öka effektiviteten dramatiskt; vissa staplade solceller har en effektivitet på över 40 procent.  Platzer Björkman kommer att stapla CZTS-celler med celler som också har litet selen i sig.

– Med den nya, och bättre utrustningen, som vi har kunnat investera i tack vare anslaget Wallenberg Academy Fellow, får vi möjlighet att studera bland annat seleniden och vilka effekter det har på materialkvalitet och stabilitet. Det betyder väldigt mycket att ha tillgång till den senaste tekniken eftersom det råder en knivskarp konkurrens inom solcellsforskningen.

Fortfarande fascineras hon av den grundläggande fysiken, av att studera hur elektronerna rör sig i halvledarmaterial. Men hon känner också en tillfredsställelse av att arbeta med något som gynnar miljön.

– Jag tycker att man som forskare har ett ansvar att tänka på etiska frågor. För mig innebär det att jobba med en tillämpning som jag tycker är viktig, och att sträva mot hållbarhet i våra processer och våra materialval.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström