Supermaterialet grafen öppnar för framtidens solceller

Förutom att de är billigare att tillverka än kiselsolceller går det att göra tunna och böjbara organiska solceller i nästan vilken färg som helst. De kan till och med göras nästan helt genomskinliga. Med hjälp av organiska solceller skulle därför allt från fönster och fasader till bilar och kläder kunna användas för att generera elektricitet. Det material som vanligtvis användas i solcellernas genomskinliga elektroder spricker emellertid lätt och det skulle därför med fördel kunna bytas ut mot grafen. Foto: Daniel Bahro, LTI

Ett stort antal forskare världen över arbetar idag med att ta fram en ny generation solceller för att ersätta de kiselbaserade solceller som nu dominerar marknaden. Tack vare sina unika egenskaper skulle supermaterialet grafen kunna öppna upp nya möjligheter för många av de nya solcellstekniker som utvecklas och hjälpa till att göra framtidens solceller bättre och billigare.

Av Alarik Haglund

Solceller baserade på så kallade perovskitmaterial är ett av de mest lovande alternativen till dagens kiselbaserade solceller. Perovskitmaterial, som utmärks av att de har samma kristallstruktur som mineralet perovskit, är bland annat attraktiva att använda i solceller eftersom de är mycket bra på att absorbera solljus.

När de första perovskitsolcellerna presenterades 2009 av forskare från Toin University i Japan hade de visserligen bara en verkningsgrad på 3,8 procent, men tack vare att verkningsgraden ökat i snabb takt kan de idag uppnå en verkningsgrad på mer än 25 procent under laboratorieförhållanden. Det betyder att de redan kan mäta sig med de bästa kiselsolcellerna, som i laboratoriet uppnått en verkningsgrad på 26,7 procent.

Det finns också gott om utrymme för verkningsgraden att fortsätta att öka. I teorin kan solceller baserade på perovskitmaterial nämligen uppnå en verkningsgrad på 66 procent, medan den teoretiska gränsen för hur hög kiselsolcellernas verkningsgrad kan bli bara är omkring 32 procent och de därmed närmar sig gränsen för vad de kan åstadkomma.

Dessutom är perovskitsolceller mycket billigare att tillverka än kiselsolceller och de kan göras tunna och böjbara, vilket betyder att de kan placeras på i stort sett vilken yta som helst.

På grund av att de är känsliga för bland annat fukt, syre, ljus och elektriska fält har perovskitsolceller emellertid, trots att forskarna arbetar med att ta fram nya perovskitmaterial för att förbättra den långsiktiga stabiliteten, än så länge en mycket begränsad livslängd. Perovskitsolcellernas verkningsgrad sjunker också snabbt i samband med att storleken skalas upp. Det är här supermaterialet grafen med sina unika egenskaper kommer in i bilden.

bild
Traditionella kiselsolceller börjar idag närma sig gränsen för vad de kan åstadkomma och forskarna utvecklar därför en rad nya solcellstekniker som skulle kunna leda till en ny generation bättre och billigare solceller. För att dessa tekniker ska kunna kommersialiseras finns det emellertid flera utmaningar som först måste övervinnas, vilket det unika materialet grafen skulle kunna hjälpa till med.
Foto: Graphene Flagship

Mångsidigt material

Det mångsidiga materialet grafen är i likhet med grafit en så kallad allotrop av grundämnet kol. Precis som i grafit är kolatomerna i grafen ordnade i ett hexagonalt mönster, men till skillnad från grafit är det ett tvådimensionellt material som bara är ett atomlager tjockt.

Grafen upptäcktes 2004 av fysikerna Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University of Manchester i Storbritannien, som 2010 tilldelades Nobelpriset i fysik för sina banbrytande experiment rörande det tvådimensionella materialet.

Det konstaterades snabbt att materialets tvådimensionella struktur, i kombination med egenskaperna hos kolatomen, ger upphov till en rad unika egenskaper. Trots att det är extremt tunt och lätt är grafen till exempel omkring 200 gånger starkare än stål. Det är också böjbart, genomskinligt och leder elektricitet mycket bra.

Tillsammans gör dessa egenskaper att grafen skulle kunna revolutionera den tekniska utvecklingen inom en mängd olika områden, däribland solceller. Till exempel är det med hjälp av grafen möjligt att förlänga livslängden och höja verkningsgraden hos storskaliga perovskitsolceller.

bild
Perovskitsolceller tillverkades för första gången i laboratoriet för bara drygt tio år sedan, men kan redan mäta sig med kiselsolceller när det gäller verkningsgrad. Till skillnad från kiselsolceller finns det också gott om utrymme för perovskitsolcellernas verkningsgrad att fortsätta stiga, samtidigt som de är mycket billigare att tillverka och, tack vare att de kan göras både tunna och böjbara, kan placeras på i stort sett vilken yta som helst. Tyvärr har de idag en mycket begränsad livslängd och verkningsgraden sjunker snabbt i samband med att storleken skalas upp. Genom att förstärka perovskitsolceller med hjälp av grafen har forskare från Graphene Flagship emellertid både gjort dem mer stabila och förbättrat prestandan.
Foto: Graphene Flagship

Grafenförstärkta perovskitsolceller

Forskare från EU-projektet Graphene Flagship, som sedan 2013 drivs från Chalmers med målsättningen att få ut grafenbaserad teknik på marknaden, tog 2019 fram hybrider bestående av grafen och kvantpunkter av molybdendisulfid med avsikten att stabilisera perovskitsolceller genom att skydda dem från fukt och annan yttre påverkan. Resultatet blev ett bläck som genom att molybdendisulfiden är förankrad i reducerad grafenoxid kan utnyttja båda materialens egenskaper. Då det används på perovskitsolceller kan bläck et därför inte bara öka stabiliteten kraftigt utan också förbättra prestandan.

– Tack vare den här forskningen har vi övervunnit ett stort hinder för att kunna använda den här nya tekniken. Med de nya nivåerna av stabilitet och prestanda skulle vi kunna se utbredd användning av perovskitsolceller under de närmaste åren, säger Emmanuel Kymakis från Hellenic Mediterranean University i Grekland, som leder Graphene Flagships arbete med tillämpningar inom energiproduktion.

Framstegen gjorde det bland annat möjligt för forskarna att uppnå verkningsgrader på 13,4 och 15,3 procent för solceller med en aktiv area på 108 kvadratcentimeter respektive 82 kvadratcentimeter, vilket är mycket stort för dessa höga verkningsgrader.

Första solparken

I januari 2020 invigde forskarna världens första solpark med grafenförstärkta perovskitsolceller på Kreta. Solparken består av totalt nio solpaneler med en sammanlagd area på 4,5 kvadratmeter och en toppeffekt på 261 watt.

Att studera hur solpanelerna presterar utomhus är ett viktigt steg på vägen mot kommersialisering eftersom panelerna utsätts för diverse påfrestningar från miljön, som varierar slumpmässigt med tiden och som inte kan testas i laboratoriet. Sedan juni 2020 har solpanelernas därför varit i kontinuerlig drift och deras prestanda har utvärderats i förhållande till miljöförhållanden som solinstrålning, temperatur och luftfuktighet för att ge forskarna en bättre förståelse för deras pålitlighet och för att de ska kunna jämföras med traditionella solcellstekniker som kiselsolceller.

Forskarna kan ännu inte dela med sig av alla resultat, men de preliminära resultaten är enligt Emmanuel Kymakis väldigt lovande. Bland annat har bara en liten mängd nedbrytning av solpanelerna observerats, samtidigt som de presterar bättre än traditionella solpaneler vid höga temperaturer.

Billigare än fossil energi

Utvecklingen av kostnadseffektiva och stabila solpaneler med grafenförstärkta perovskitsolceller fortsätter också i projektet GRAPES, som leds av det italienska företaget Enel Green Power. Bland annat ska projektet förbättra verkningsgraden ytterligare genom att utnyttja grafenförstärkta perovskitsolceller i tandem med kiselsolceller.

I en så kallad tandemsolcell kan en halvgenomskinlig perovskitsolcell placeras ovanpå en kiselsolcell. Tack vare att perovskitsolcellen effektivt omvandlar ljus med kortare våglängder till elektricitet medan kiselsolcellen effektivt omvandlar ljus med längre våglängder tar de tillsammans vara på en större andel av solljuset. Det är därför möjligt att uppnå en högre verkningsgrad än vad som är möjligt med enbart kiselsolceller.

Den teoretiska gränsen för hur hög verkningsgraden hos en perovskit- och kiselbaserad tandemsolcell kan bli är cirka 43 procent och den högsta verkningsgrad som hittills uppnåtts av Graphene Flagships forskare är 26,3 procent.

Forskarna har också tagit fram en ny tillverkningsmetod som, genom att utnyttja grafenets mångsidighet, gör det möjligt att minska tillverkningskostnaderna och skulle kunna möjliggöra tillverkning av solpaneler med stor area i industriell skala.

– Den staplade kisel- och perovskitkonfigurationen utgör grunden för Graphene Flagships nya spjutspetsprojekt GRAPES, där en pilotlinje för tillverkning av grafenbaserade tandemsolceller med perovskit och kisel kommer att bana väg för att bryta verkningsgradsbarriären på 30 procent och minska genomsnittspriset per kilowattimme (Levelized Cost of Energy) betydligt, säger Emmanuel Kymakis.

Förhoppningen är att priset för solenergi ska kunna sänkas till 20 euro per kilowattimme, vilket är billigare än för fossila bränslen.

Organiska solceller Utöver perovskitsolceller utvecklas det även flera andra solcellstekniker som skulle kunna få en rejäl skjuts framåt med hjälp av grafen.

Organiska solceller, som istället för inorganiskt kisel använder sig av kolbaserade organiska halvledare, är i likhet med perovskitsolceller mycket billigare att tillverka än kiselsolceller och kan göras tunna och böjbara, men deras främsta styrka är att det finns ett stort antal organiska halvledarmaterial med olika egenskaper att välja mellan. Solcellerna kan därmed skräddarsys för en mängd olika användningsområden. Till exempel kan organiska solceller tillverkas i nästan vilken färg som helst eller till och med göras nästan helt genomskinliga. De lämpar sig därför väl för byggnadsintegrerade solcellslösningar och skulle även kunna användas i bland annat bilar och kläder.

De organiska solcellernas verkningsgrad kan än så länge inte mäta sig med verkningsgraden hos kiselsolceller. Den ökar emellertid hela tiden och i januari 2021 uppnådde en internationell forskningsgrupp för första gången en verkningsgrad på över 18 procent. Precis som perovskitsolceller har organiska solceller också en kortare livslängd än kiselsolceller.

bild
Världens första solpark med grafenförstärkta perovskitsolceller invigdes i januari 2020 på Kreta. Solparken är ett steg på vägen mot kommersialisering av tekniken och ska bland annat testa solpaneler under utomhusförhållanden. Foto: Institute of Emerging Technologies, Hellenic Mediterranean University Research Center

Genomskinliga elektroder

Eftersom det är svårt att hitta material som är både genomskinliga och elektriskt ledande görs de genomskinliga elektroderna i organiska solceller vanligtvis av indiumtennoxid (ITO). Även om det har utmärkta elektriska och optiska egenskaper är materialet inte särskilt lättillgängligt och på grund av att det är skört spricker det lätt när det används i böjbara solceller. Grafen är däremot både lättillgängligt och böjbart, samtidigt som det har lika bra eller till och med bättre elektriska och optiska egenskaper. Med andra ord skulle grafen kunna vara ett lovande alternativ till indiumtennoxid i framtida organiska solceller.

Det finns emellertid två utmaningar som måste övervinnas innan grafenförstärkta organiska solceller kan bli verklighet. Den första utmaningen är att deponera ett lager av grafen på ytan av solcellen utan att skada de känsliga organiska materialen i det underliggande lagret. Den andra utmaningen är att det krävs två elektroder, en anod och en katod, som har olika roller att fylla. Om bara den ena elektroden görs av grafen begränsas solcellens funktion av materialet i den andra elektroden, medan det om båda elektroderna görs av grafen är svårt att få dem att bete sig på olika sätt.