De testar ett nytt sätt att fånga solen

Forskaren Malin Johansson sätter fast två elklämmor på en liten gulbrun glasbit och placerar den under en stark lampa. Dags för ännu ett solcellstest på Avdelningen för fysikalisk kemi vid Ångströmlaboratoriet i Uppsala. Ljuset från lampan är lika starkt som en solig dag utomhus. På datorskärmen avslöjas hur mycket av solljuset som solcellen omvandlar till elektricitet.

Ämnet i det gulbruna skiktet på glaset består av perovskit. Det har visat sig ha en enastående förmåga att suga åt sig ljusenergi och omvandla den till elektricitet. På bara några år har det seglat upp som solcellsforskarnas nya favoritmaterial. I Uppsala har gruppen som forskar om perovskitsolceller snabbt vuxit till sju personer.

Erik Johansson, docent och lektor i kemi, leder flera av projekten:

– Utvecklingen går väldigt fort. När vi började forska om perovskit för fyra år sedan kom det ut kanske tio vetenskapliga artiklar. Nu har antalet exploderat. Det är svårt att hinna med att läsa allt.

Det som får forskare över hela världen att kasta sig över det nya solcellsmaterialet är den snabba förbättringen av verkningsgraden. Inget annat solcellsmaterial har utvecklats lika snabbt. Effektiviteten har ökat från ett par procent år 2009 till drygt 22 procent i dag, när det gäller de bästa cellerna.

Testexemplaret under lampan når inte så högt, men så är det också en annorlunda uppbyggnad av de olika skikten i solcellen som testas, förklarar Erik Johansson – och tillägger att de bästa testmätningarna i labbet hamnar på strax över 20 procent.

Det betyder att steget inte är långt till att perovskit kan konkurrera med de dominerande kiselsolcellerna, som toppar kring 25 procent i verkningsgrad. Nio av tio solceller som säljs i världen har halvledarmaterialet kisel som solfångande material. Tekniken är numera mogen men har vissa nackdelar. Tillverkningen är energikrävande eftersom den kräver temperaturer på över 1 000 grader Celsius och kräver hög renhet. Kiselsolcellerna är dessutom förhållandevis tunga och oflexibla.

Forskare har länge arbetat med att utveckla alternativ som är billigare, lättare och som kan anta olika former. Ett av flera alternativ är den så kallade Grätzelsolcellen, döpt efter upphovsmannen Michael Grätzel, där det solfångande materialet består av ett färgämne. Trots många år av utveckling har det ändå visat sig svårt att få upp effektiviteten över de omkring 12 procent där de bästa Grätzelcellerna ligger.

Det är här som perovskit kommer in i bilden. När japanska forskare byggde den första perovskitsolcellen 2009 utgick de från en Grätzelsolcell, men bytte ut färgämnet mot ett perovskitmaterial. Förutom att det är effektivt är det både billigt och enkelt att tillverka.

– Det går nästan att göra hemma i köket, säger Erik Johansson när han visar de olika tillverkningsstegen i kemilabbet.

Forskarna använder glas som bas för solcellen, men det går också att bygga den på andra material, till exempel plast. Första steget är att täcka glaset med titandioxid, vars uppgift är att leda bort elektronerna som exciteras av solljuset. För att få en jämn fördelning av titandioxiden sätts glasbiten i en snurrande maskin, en så kallad spin-coater.

Sedan är det dags att droppa på själva perovskiten. Namnet är egentligen ett samlingsnamn för en grupp av material som har samma kristallstruktur. Perovskiten som används i solcellerna består av olika joner och framställs av två salter som blandas med ett lösningsmedel. Den gula vätskan droppas sedan ovanpå titandioxiden. Glaset snurras igen och värms upp till cirka 100 grader. Detta innebär att perovskiten kristalliserar och blir brunaktig. Slutligen får solcellen en kontakt och är klar för test.

I praktiken är det dock inte så enkelt som det låter. Det krävs en hel del hantverk för att få fram solceller av hög kvalitet. Genom att byta ut vissa ämnen i kristallstrukturen kan man ge solcellen olika egenskaper. Det går till exempel att få den att absorbera ljus vid olika våglängder.

En av de stora utmaningarna är att göra den tillräckligt stabil, så att den tål tusentals timmar ute i solen. Detta problem bidrog till att många inte tog de första perovskitsolcellerna på allvar. Förutom den dåliga effektiviteten dröjde det inte många minuter innan de löstes upp.

– Forskarna fick springa för att hinna göra sina mätningar, säger Anders Hagfeldt, professor i fysikalisk kemi vid den tekniska högskolan EPFL i schweiziska Lausanne.

EPFL är ett av de ledande labben i världen inom solceller med perovskit. Anders Hagfeldt leder forskningen tillsammans Michael Grätzel, som tidigt såg potentialen. Bland annat har forskare vid EPFL kunnat förbättra stabiliteten avsevärt. Anders Hagfeldt berättar om en solcell på labbet som testats i 500 timmar i 85 graders värme utan att falla isär.

De snabba framstegen gör honom mer och mer optimistisk när det gäller hållbarheten hos den nya solcellstypen.

– För ett år sedan hade jag sagt att den inte var tillräcklig, men nu tror jag att vi kommer att få se perovskitsolceller på marknaden inom fem år, säger Anders Hagfeldt.

Det finns redan flera företag som siktar på att tillverka solceller med perovskit. Ett av dem är Oxford Photovoltaics, en avknoppning från Oxford university som har startats av en av pionjärerna på området, professor Henry Snaith. Bland finansiärerna finns det norska oljebolaget Statoil.

Målet är inte bara att tillverka rena perovskitsolceller. Företaget har också ett samarbete med en tillverkare av kiselsolceller som syftar till att kombinera kisel och perovskit. Genom att lägga en mikrometertunn perovskitsolcell på en vanlig kiselcell kan den totala effektiviteten ökas, eftersom kombinationen fångar ett bredare spektrum av solens strålar. Medan kisel absorberar det röda solljuset kan perovskiten ta hand om ljuset från det blå-gröna området.

Men innan de nya solcellerna kan nå marknaden måste produktionen skalas upp från labbnivå. Det gäller också att kunna tillverka större celler än de små försökssolcellerna – och sätta ihop dem till större moduler.

Såväl företagen som forskarna står också inför ett annat stort problem. Den vanligaste och mest effektiva formen av perovskit innehåller det giftiga ämnet bly. Mängden är visserligen liten, cirka 0,4 gram per kvadratmeter solceller, men det ställer krav på inkapsling så att det inte rinner ut i marken. Allt bly måste också samlas in när solcellen har tjänat ut.

På många håll görs försök med att ersätta blyet med andra ämnen. I Uppsala laborerar forskarna med vismut. På Karlstads universitet är fysikprofessor Ellen Moons en av deltagarna i ett nytt EU-projekt där målet är att byta ut bly mot tenn.

– Bly är en nackdel, men det är inte så lätt att byta ut. Effektiviteten blir lägre och solcellen är inte längre lika stabil när man ersätter det med andra ämnen, säger hon.

Projektet, där även Linköpings universitet deltar, är ännu i sin linda. Även om optimismen är stor så återstår mycket forskning och utveckling innan solceller med perovskit kan komma upp på taken.

Kanske hinner till och med andra användningsområden före. Materialet har visat sig vara lovande även för annat än solceller. Det har förmåga att lysa med hjälp av elektrisk ström. Denna så kallade elektroluminiscens kan användas för att bygga effektiva lysdioder i olika färger, som i sin tur kan användas i belysning och i bildskärmar. Forskning pågår också för att utveckla lasrar med perovskit.

Men det är solceller som det forskas mest på och frågorna är fortfarande många.

– Det är mycket grundforskning kvar. Vi förstår till exempel fortfarande inte vad det är som gör perovskit till ett så effektivt solcellsmaterial, säger Erik Johansson.