Perovskit och solcellsvärldens jakt på högre verkningsgrader

Med högre verkningsgrad på solceller får man inte bara mer el från en viss yta, det leder även till en hel rad ytterligare besparingar i form av arbete, elektronik och montagematerial — och i förlängningen mer konkurrenskraftig solel. Om solcellsindustrin har visat sig bra på något är det att få upp verkningsgraden; de senaste sju åren har de solpaneler som skruvas upp på svenska villatak gått från en verkningsgrad på 16% till uppåt 22% (och inom kort lär de ligga på över 23%).

Gradvis börjar dock dagens dominerande teknik, solceller av kristallint kisel, närma sig den övre gränsen för hur effektiva de kan vara. I vårens upplaga av ITRPV, en återkommande rapport från en bred samling branschföreträdare och forskningsinstitut, gjordes bedömningen att den övre gränsen för kiselsolceller ligger vid 27%. På modulnivå, där flera solceller sätts ihop, väntas verkningsgrader peaka runt 25% under kommande tioårsperiod.

På senare tid har det kommit frekventa rapporter om framsteg kring en grupp av material som kallas perovskiter, med potential att drastiskt öka verkningsgraden. I den här artikeln tittar vi närmare på utvecklingen med hjälp av Erik Johansson, professor på Uppsala universitet, och Olle Lundberg, teknikchef på perovskitföretaget Evolar som nyligen köptes upp av den amerikanska solcellstillverkaren First Solar.

Perovskit- och tandemsolceller

Perovskit är namnet på en kristallstruktur som beskriver hur atomer sitter ordnade i ett material. I jordskorpan förekommer perovskit i form av titankalciumoxid, medan det som syntetiskt solcellsmaterial är en modern företeelse. Den första publikationen om en perovskitsolcell kom 2009 men rönte enligt Erik Johansson inget större intresse. Då var verkningsgraden runt 4% och de gick sönder efter några minuter i solljus.

— Vår grupp [på Uppsala universitet] började titta på det här 2012 efter att vi fått höra om resultaten från en forskargrupp i Oxford där de visade att det funkade ganska bra, då hade man fått upp verkningsgraden till 10%.

För Olle Lundberg, som även han har en bakgrund som doktorand på Uppsala universitet, dröjde det ytterligare några år att få upp nyfikenheten på riktigt.

— Jag var lite skeptisk från början. Det hade kommit något som hette kesteritsolceller strax innan, de var väldigt stabila och bestod av vanliga ämnen som inte var giftiga. Där blev det ingenting, verkningsgraden maxade runt 12%. Perovskiter var fortfarande extremt instabila 2014 och 2015. Men verkningsgraden steg sen väldigt snabbt.

Knappt tio år senare har perovskitsolceller genomgått en fantastisk utveckling. Idag är de bästa perovskiterna uppe på 26%, knappt en procent lägre än de bästa labbsolcellerna av kisel. Andra fördelar är att tillverkningsprocessen kräver mindre energi än dagens solceller; istället för att, som med kisel, hetta upp materialet till flera tusen grader blandar man ihop perovskitlösningar som man sedan smetar ut eller förångar på ett substrat. Liksom för kiselsolceller är materialen som används i perovskiter — ofta bly, jod, klor, brom och en organisk del — billiga och finns rikligt i jordskorpan.

Men det som både Olle Lundberg och Erik Johansson lyfter fram som den allra mest lovande fördelen är att perovskit har potential att fungera väldigt bra i kombination med kisel (eller med andra typer av solceller, såsom CIGS). Perovskit och kisel absorberar till viss del ljus i olika delar av solljusets spektrum och lägger man perovskit ovanpå kisel bildas en tandemsolcell där perovskiten absorberar det kortvågiga, synliga, solljuset och kislet det mer långvågiga, nära infraröda, ljuset. Plötsligt har man ökat den potentiella verkningsgraden för en solcell med tio procentenheter.

Den stora utmaningen: livslängden

För att kommersialisera solceller som antingen helt eller delvis består av perovskit återstår en grundläggande utmaning: att få upp livslängden. Förvisso har teknikutvecklingen kommit en lång bit sen de första experimenten i de japanska labben. Då höll de i minuter, idag finns data som tyder på att de klarar en livslängd på 5 till 10 års livstid, menar Olle Lundberg.

— Men ska man komma med en volymprodukt, såsom solceller på villatak eller i parker, behöver man komma med livstider på minst 25 år [för att matcha de garantier som i dagsläget ges ut för solpaneler av kiselsolceller].

En viktig faktor till att perovskiter degraderar snabbare än kisel är att de är mer reaktiva. De innehåller fler mobila joner som kan röra sig och reagera med andra material (såsom de kontakter som för ut laddningar ur solcellen) när de utsätts för ljus och värme. Med tanke på utvecklingen hittills är dock Olle optimistisk kring att det kommer gå att övervinna utmaningarna.

— Det finns så extremt många varianter av perovskitmaterial och många parametrar att ratta på, förhoppningsvis kommer det någon kombination som är tillräckligt stabil… Sen finns det en del avvägningar att göra: kan man använda perovskiter som är mer stabila i grunden men som har lägre verkningsgrad som man försöker få upp? Eller [perovskiter] med högre verkningsgrad som man försöker göra mer stabila?

Mot 27% i panelverkningsgrad, och vidare?

För fyra år sedan intervjuade vi Erik Johanssons kollega, solcellsprofessorn Marika Edoff, i Solcellskollens podcast. Då siade hon om paneler med en verkningsgrad på mellan 25 och 28% i slutet av det här decenniet förutsatt att man lyckas kommersialisera tandemsolceller. När vi ber Erik uppdatera förutsägelsen landar han i att det fortfarande är en bra gissning.

— Det håller ganska bra tycker jag. I labbskala är man uppe på strax över 33% men det kommer man inte kunna bibehålla när man går från en solcell i labb, till uppskalade solceller, till en modul. I en liten solcell är till exempel resistansen lägre. När man skalar upp ökar kontrollbehovet och man introducerar flera andra möjligheter till fel. Man kanske tappar fem procentenheter längs vägen.

Olle Lundberg vänder på perspektivet men landar ändå i en liknande slutsats.

— Eftersom tandem kräver att man adderar ett nytt material och en extra tillverkningsprocess måste man nog ligga 15-20% över verkningsgraden för kiselsolceller [för att vara konkurrenskraftig]. Det är också där det ser ut att landa. Om verkningsgraden för en kiselpanel ligger på 24-25% är man på 27% och uppåt med tandem i slutet av decenniet. Initialt tror jag inte att kostnaden för själva solelen blir lägre med tandem [på grund av de högre tillverkningskostnaderna] men det blir mer el på en viss area. Det kommer nog dröja ytterligare några år för de stora kommersiella installationerna.

Om vi blickar fram ytterligare ett par decennier, vad tror du är en realistisk potential för tandempaneler?

— Man kan nog inspireras av de teoretiska begränsningarna. För tandem är den 43% jämfört med 33% [för solceller av ett material]. I solcells-communityn verkar man vara överens om att man kan nå i alla fall 25% i modulverkningsgrad med kisel. Det finns inte så mycket som säger att man inte kan komma lika långt med tandem. Om man hårdrar det motsvarar det [en modulverkningsgrad på] 35%.

Om de tusentals forskare och kommersiella tillverkare som i dagsläget jobbar med att ta fram bättre och mer stabila perovskiter lyckas kan man med andra ord bara ana vad det innebär för konkurrenskraften i den teknik som redan beskrivs som “the king of electricity markets” och som under 2022 bidrog med mest ny fossilfri elproduktion globalt.

Lyssning på temat

Vi har flera poddavsnitt om forskning och utveckling av effektivare solcellsteknik. Tre exempel är följande avsnitt som du hittar i valfri poddapp, eller via länkarna nedan.

Lyssna: Johan Lindahl, Om europeisk solcellstillverkning

Lyssna: Marika Edoff, Om att jaga världsrekord i solcellers verkningsgrad

Lyssna: Tommy Strömberg, Om 20 års utveckling i den globala solcellsindustrin