Mer el från solcellen – med nanotråd som solfångare

Nanoteknikforskarna i Lund har länge sysslat med teknik för att fånga in sol. Och fick ett genombrott 2022, när de lyckades bygga så kallade fotovoltaiska nanotrådar med tre olika bandgap.

Varje nanotråd – tusen gånger tunnare än ett hårstrå – är byggd med tre olika ämnen som reagerar på olika delar av solljuset.

– 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 vid Lunds universitet.

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.

Solceller utan kisel

Eftersom nanotrådarna är lätta och kräver lite material per ytenhet testas de nu på satelliter, som skickades ut i rymden andra veckan i januari. Hög verkningsgrad i kombination med låg vikt är A och O på en soldrivern satellit.

Solceller med olika bandgap, så kallade tandemsolceller, finns än så länge framförallt på satelliter, och det pågår febril forskning för att få en dubbelt så hög verkningsgrad som i dagens kommersiella kiselsolceller.

– 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.

Nanotrådar fungerar som en tandemsolcell

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.

Nanotrådar i tre material avbildade av ett svepelektronmikroskop. En tråd är tusen gånger tunnare än ett hårstrå. Den röda och blå färgen visar strömriktning och att nanotrådarna fungerar som en tandemsolcell. Bild: Lunds universitet.

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.

Magnus Borgströms kollega 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.

(Dagens kiselsolceller har ungefär 20 procent i verkningsgrad)

Nanotrådssolcellerna tål rymdstrålning bättre

I nästa steg kommer nanoteknikforskarna 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.

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.

Satelliter drivs av solceller

Det var de fördelarna som gjorde att nanotrådssolcellerna monterades på en forskningssatellit 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.

Kontakt:

Magnus Borgström, professor Fasta tillståndets fysik, Lunds universitet, magnus.borgstrom@ftf.lth.se

Vetenskapliga artiklar:

Realization of axially defined GaInP/InP/InAsP triple-junction photovoltaic nanowires for high-performance solar cells (by Lukas Hrachowina, Yang Chen, Enrique Barrigón, Reine Wallenberg, and Magnus T. Borgström in Materials Today Energy) .

Development and characterization of photovoltaic tandem-junction nanowires using electron-beam-induced current measurements (by Lukas Hrachowina, Enrique Barrigón, and Magnus T. Borgström in Nano Research).