Ny teknik ökar effektiviteten i ultratunna solceller

- Uppsala-forskare berättar om Sveriges bidrag till projektet -

I samarbete med forskare vid Uppsala universitet har forskningsorganisationen International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) funnit ett sätt att öka effektiviteten hos ultratunna solceller. Det internationella forskningsteamet har utvecklat en smart nanostrukturerad ”guldspegel” som reflekterar ljus tillbaka in i solcellen och minskar energiförluster.

Text: Pierre Eklund
Foto: Uppsala universitet, Mikael Wallerstedt, Mats Kamsten, och Iberian Nanotechnology Laboratory (INL).

Uppsala universitet är Sveriges ledande universitet inom solel-forskning, som omfattar allt från grundläggande fysik, kemi och elektronik till materialvetenskapliga tillämpningar som tunnfilmsteknik, nanostrukturering, materialutveckling och processteknik.

– En stor del av vår forskning syftar till att förstå hur ljus interagerar med elektro-optiska material och att använda denna förståelse för att utveckla och vidareutveckla solceller, förklarar Marika Edoff, professor i fasta tillståndets elektronik och forskningsledare för avdelningen för solcellsteknik vid institutionen för materialvetenskap på Uppsala universitet.

I flera decennier - redan innan Sveriges inträde i EU - har universitetet deltagit i europeiska forskningsprojekt med fokus på utvecklandet av nya solceller, och bidragit med sin kunskap om bakkontakter, ljusabsorberande material, buffertskikt, transparenta ledare och modulteknik.

– EU-projekt som innehåller både forskning och innovation har vanligtvis upp till 15 projektpartners från både akademin och näringslivet, där man bygger ett konsortium utifrån ett gemensamt mål och med olika typer av uppgifter.

– Vi utbildar och nyttjar varandras kunskap, vilket gör att innovationen går mycket fortare. Projekten, som varar mellan 3 och 4 år, leder ibland till nya eller andra projekt.

Genom sin medverkan i olika EU-projekt har avdelningen för solcellsteknik byggt upp ett stort nätverk av projektpartners i Europa, bland annat forskningsorganisationen International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL) i Braga som studerar nanoelektronik och materialvetenskap på nanoskala.

– Vi delar ett intresse för ultratunna solceller, som utgör mindre än en hundradel av tjockleken av en vanlig kisel-solcell, och har varit involverade i flera projekt tillsammans.

Nyttjar reflekterat ljus

INL och avdelningen för solcellsteknik är delaktiga i Horizon Europe-projektet Hi-BITS, som startade 2023, där syftet är att främja tunnfilmstillverkning genom högre effektivitet, lägre materialförbrukning, kortare och välkontrollerade processer, bättre modulteknologier och nya tillämpningar. Projektet har bland annat fokuserat på utvecklandet av bifaciala, det vill säga dubbelsidiga, tunnfilmssolceller i glas, där även reflekterat ljus på baksidan av solcellerna kan nyttjandegöras. 

– Med sin dubbelsidighet kan solcellerna nyttjas i samband med jordbruksproduktion samtidigt som antalet kWh per år ökar. Solcellerna består av olika skikt, och har skickats runt mellan olika forskningsinstitut i Europa, säger Marika Edoff.

– I Uppsala har vi testat den reflekterande struktur vid bakkontakten som INL har tagit fram, genom att belägga dem med resten av solcellsskikten. Andra projektpartners har tittat på framkontakten.

I jämförelse med konventionell teknik kan ultratunna solceller tillverkas i snabbare takt och med mycket mindre aktivt material. Ultratunna solceller kan appliceras på flexibla och böjda ytor men att göra dem ultratunna, det vill säga under en mikrometer, är en utmaning. När solens fotoner träffar solcellen absorberas de och genererar fotoström. Är lagret för absorption för tunt förlorar cellerna sin prestanda eftersom de inte fångar tillräckligt med ljus. Under Horizon Europe-projektet Hi-BITS har forskarna vid INL utvecklat en smart nanostrukturerad ”guldspegel” som löser dilemmat.

– Med hjälp av ett ultratunt mönstrat lager av guld som har kapslats in med aluminiumoxid skapade forskningsteamet en bakkontakt som både reflekterar ljus tillbaka in i solcellen och minskar energiförluster vid bakre gränsytan.

Minskar energiförluster

När den nya bakkontakten testades på Uppsala universitets ultratunna ACIGS-solcellstruktur förbättrade den nya designen effektomvandlingseffektiviteten med 15 procent, främst tack vare högre ljusabsorption. Komponentens design möjliggör en mer kostnadseffektiv tillverkning, vilket banar väg för industriell uppskalning. Horizon Europe-projektet Hi-BITS avslutas i september 2026, och följs med stor sannolikhet av nya EU-projekt om ultratunna solceller och ljusabsorberande material.

– Marknaden är alltid intresserade av nya lösningar och produkter som minskar energiförluster och ökar effektiviteten.

I Sverige är Uppsala universitet engagerade i SOLVE, Solelforskningscentrum Sverige, som är ett konsortium av universitet, företag och organisationer i den offentliga sektorn som genom samverkande forskningsprojekt och utbildning arbetar för en snabb expansion av solenergi i det svenska elnätet. 

– Solel har haft en fantastisk utveckling. När jag startade min forskningskarriär för 30 år sedan var det stora målet att komma upp i 1 GW installerad soleleffekt. Nu är det nästan fem gånger mer, och det talas om att solceller snart kan stå för 10 procent av Sveriges energiproduktion, berättar Marika Edoff, som är föreståndare för SOLVE.

– 2026 är sista året för SOLVEs nuvarande femårsperiod och vår förhoppning att vi kan få fem år till och fortsätta utbilda och forska kring solenergi.
 

Horizon Europe-projektet Hi-BITS

Forskare från avdelningen för solcellsteknik vid Uppsala universitet medverkar i Horizon Europe-projektet Hi-BITS där målsättningen är att utveckla en ny struktur som möjliggör bifaciala tunnfilmssolceller, ultratunna CIGS-solceller, semitransparenta CIGS-solceller och tandemceller. Under projektet har International Iberian Nanotechnology Laboratory (INL), i samarbete med Uppsala universitet, utvecklat en smart nanostrukturerad ”guldspegel” som reflekterar ljus tillbaka in i solcellen och minskar energiförluster. Projektet, som startade 2023, pågår fram till hösten 2026.
 

Avdelningen för solcellsteknik vid Uppsala universitet

Vid avdelningen för solcellsteknik bedrivs forskning över ett brett område, allt från grundläggande fysik, kemi och elektronik till materialvetenskapliga tillämpningar som tunnfilmsteknik, materialutveckling, processteknik, nanostrukturering och karakteriseringsmetoder för solceller. Forskningen är bland annat inriktad på bakkontakter, ljusabsorberande material, buffertskikt, transparenta ledare, modulteknik, plasmonik för solceller, och nya solcellstyper som tandemsolceller. Material och solceller tillverkas i Ångströms renrum (MSL), både i egen utrustning och i MSL-utrustning.

SOLVE

Solelforskningscentrum Sverige (SOLVE) är ett kompetenscentrum som strävar efter att öka användningen av solel i Sverige, genom att forska på och utveckla uthålliga integrationslösningar i byggnader, på mark och i energisystemet.