Verdens første tandemsolcelle baseret på CZTS-teknologi er netop blevet fremstillet af et dansk forskerhold fra DTU. Selve cellen er den sorte firkant i midten af billedet.
Verdens første tandemsolcelle baseret på CZTS-teknologi er netop blevet fremstillet af et dansk forskerhold fra DTU. Selve cellen er den sorte firkant i midten af billedet.

Foto : Jørgen Schou / DTU Fotonik

Danske forskere er først i verden med ny type tandemsolcelle

Med en energieffektivitet på bare 3,9 procent er verdens første tandemsolcelle baseret på CZTS-teknologi blevet fremstillet i Danmark. Nu skal der arbejdes på effektiviteten, så den danske teknologi kan nå med i den eksplosive udbygning, der forventes de kommende år.
Brødtekst

Er man bekendt med dagens standard for effektivitet i solcellepaneler, lyder 3,9 procent mildest talt ikke imponerende. Men bag tallet gemmer sig lidt af en verdenssensation, som er skabt lige her i Danmark.

I flere år har forskere på DTU arbejdet tæt sammen med blandt andre Haldor Topsøe på at kombinere to slags solceller og dermed skabe en ny såkaldt tandemsolcelle. Det er nu lykkedes forskerne at få de to celler til at virke som én før nogen andre i verden. 

»Der findes jo flere typer tandemceller, men det vi nu har bygget, er det første eksemplar af en tandemcelle baseret på uorganisk og let tilgængeligt materiale – overhovedet,« forklarer Jørgen Schou fra DTU Fotonik, der er leder af projektet Altcell.

Læs også: Ny solcelletype opstilles i Danmark: Optager lys fra begge sider

Forskerne har testet den nye prototype i laboratoriet og altså fundet, at den omsætter lys til elektricitet med 3,9 procents effektivitet, og da cellen er første af sin art i verden, er Jørgen Schou ikke sen til at fremhæve, at der er tale om en verdensrekord.

Selvom den ringe ydeevne er milevidt fra konventionelle siliciumcellers – typisk mellem 13 og 20 procent – har de såkaldte tandemsolceller et teoretisk potentiale på over 30 procent.

Med den samme fart i udviklingen af panelernes ydeevne som siliciumcellerne har haft, kan tandemcellerne om lidt over en håndfuld år give de konventionelle solpaneler skarp konkurrence – både på effektivitet og pris.

»Det her viser, at princippet er brugbart, og at det er muligt at fremstille denne type celler. Fra nu af er det så et spørgsmål om hårdt arbejde for at komme op i de effektivitetsprocenter, vi gerne vil opnå,« siger Jørgen Schou.

Tyndfilmscelle smeltes sammen med sillicium

Tandemcellernes afgørende fortrin er, at de er i stand til at absorbere flere bølgelængder i sollyset end deres konventionelle modparter, fordi de udnytter to båndgab med forskellig effektivitet i stedet for ét.

Båndgabet er den mængde energi, der skal til for at anslå en elektron i et givent materiale og dermed sætte gang i den proces, hvormed solceller skaber elektricitet. Da sollys består af fotoner ved mange forskellige energier (bølgelængder), omsætter tandemcellens to forskellige lag altså tilsammen mere af energien i sollyset.

Den nye tandemcelle består af en almindelig siliciumcelle med en tyndfilmscelle af materialet CZTS oven på – en halvleder bestående af de udbredte stoffer kobber (C), zink (Z), tin (T) og svovl (S). 

»Kombinationen af CZTS og silicium er god, fordi de tilsammen optager energi fra store dele af lysets spektrum. Tyndfilmen, som ligger øverst, optager de mest energirige fotoner fra den synlige del af lysspektret, og resten af lyset når så videre ned til siliciumlaget, der virker bedst i det infrarøde spektrum,« siger Jørgen Schou.

Danskere overhaler de store indenom

CZTS-materialet har været genstand for intens forskning i Australien og Sverige i årtier med en forhåbning om, at det kan blive lige så effektivt som sin mere etablerede konkurrent på tyndfilmsmarkedet CIGS (kobber, indium, gallium og selen). Andre tandemceller med gallium-indium-fosfid som øverste lag har allerede præsteret energieffektiviteter på op mod 40 procent.

Men konkurrenternes akilleshæl er naturligvis de meget sjældne stoffer gallium og indium, som gør de øvrige tandemcelle-typer meget dyre og uegnede til nogensinde at levere strøm i forsyningsskala. 

Læs også: Millionbeløb til danske forskere skal gøre organiske solceller kommercielle

I dag er rekorden for effektivitet i rene CZTS-solceller på 11 procent, opnået af australske forskere. Men hverken australierne eller svenskerne har endnu formået at få en CZTS-celle til at fungere med en bundcelle af silicium som én samlet enhed. Her har det danske forskerhold i Altcell-projektet overhalet alle de store forskningsinstitutter indenom.

»Vi er lidt stolte over, at det endnu ikke er lykkes australierne, for de er ellers verdensmestre i CZTS og har arbejdet med det i 20 år,« siger Jørgen Schou.

Nøgle-innovationen i det danske projekt er mellemlaget, der adskiller de to celle-typer. Det består ifølge Jørgen Schou af et ultra-tyndt lag titan-nitrid og har som primære formål at forhindre kobberatomer i CZTS-cellen at diffundere ned i siliciumcellen.

»Hemmeligheden ved vores nye prototype er det, vi kalder barrierelaget mellem de to celler. Det er en stor udfordring at få det helt rigtigt, da det skal kunne modstå, at kobberatomer trænger igennem til siliciumcellen under produktionsprocessen for CZTS-laget, samtidig med at barrieren skal være transparent nok til, at lys uden problemer kan passere igennem til cellen nedenunder,« siger Jørgen Schou.

Barrierelaget forbinder ikke bare de to celler mekanisk, men også elektrisk, og det gør Altcells nye prototype til et særsyn inden for tandemceller – en såkaldt monolitisk integreret celle, det fungerer som én samlet solcelle. 

Denne afart af tandemceller betragtes som sværere at få til at virke end tandemceller, der blot er mekanisk forbundne, men er til gengæld en mere effektiv løsning, da det mindsker behovet for at installere gennemsigtige elektriske kontakter i topcellen.

Prototype sendes til Sverige

Det er bare seks måneder siden, at Altcell-projektet fik sin prototype til at fungere, men allerede nu er innovationsarbejdet på vej ind i en ny fase, der skal foregå i samarbejde med andre forskningsinstitutter ude i verden.

Næste skridt er derfor at sende silicium-delen af den nyudviklede prototype videre til et forskningsinstitut i Sverige, hvor man er længere fremme i udviklingen af CZTS-materialer.

»Svenskerne ligger et par procentpoint højere oppe i effektivitet, end vi gør, for de har 30 års erfaring med det her materiale. Så vi håber, at deres ekspertise kan hjælpe os nærmere vores mål med at få CZTS-laget alene op omkring 17-18 procent i effektivitet. Derfra gælder det om at optimere samspillet mellem de to lag, så vi i alt kan komme et pænt stykke op over de 20 procent samlet set,« siger Jørgen Schou.

Realiseringen af dette mål ligger formentlig mange år ude i fremtiden, og selv når det sker, vil CZTS-tandemceller formentlig stadig have en højere enhedspris end de rene siliciumceller. Men tandemcellernes høje effektivitet vil alligevel være et væsentligt salgsargument for mange af verdens solcelle-entreprenører.

»Der skal betales til infrastrukturen – kabler osv. – når du sætter dine solceller op, og det er jo den samme pris, uanset hvilken celle du sætter op. Her vil det selvfølgelig give en økonomisk fordel at have en mere effektiv celle,« siger Jørgen Schou.

Jørgen Schou og hans kolleger på DTU er bestemt ikke de eneste, der tror på en fremtid for tandemcellerne.

En af verdens førende eksperter på solcelleområdet, den australske forsker Martin Green, har også for nyligt forudsagt, at 5 procent af alle solceller vil være tandemceller baseret på silicium i 2029. Altså ikke nødvendigvis med topceller af CZTS-materialer. 

Ifølge analysehuset GlobalData vil den globale installerede solcellekapacitet mere end tredoble det kommende årti –  fra 500 GW ved udgangen af 2018 til over 1.500 GW i 2030.

Læs også: Kommerciel solcelleudbygning løber fra Energinets netplanlægning

Altcell-projektet er støttet med 22,5 millioner kroner af Innovationsfonden og udløber i år. Men Jørgen Schou og kollegerne er i gang med at søge nye midler, så de kan videreføre den opbyggede viden.

Foruden DTU og Haldor Topsøe har virksomhederne Inmold A/S og Dansk Solenergi også deltaget i projektet.