Legetøj danner grundlag for ny solcelleteknologi

Solceller er dyre at fremstille og besværlige at montere og vedligeholde, og forskerne er til stadighed på udkig efter nye måder at producere dem på. Et forskerhold med basis ved Institut for Fysik og Astronomi og iNano på Aarhus Universitet har været i legetøjsskuffen, og har fundet på noget, som måske kan blive et afgørende gennembrud.

24.05.2017 | Ole J. Knudsen

Krympeplast med guldlag får lov at skrumpe i een retning. Til højre en kraftig forstørrelse af nanorillerne i plasten.

Krympeplast er det, der næsten ikke er til at flå af pakkerne, og i legetøjs- og hobbybutikker kan man finde plader af klart plastic, som også krymper, når det bliver varmet op. Det bruges blandt andet til at tegne på, fordi farverne bliver meget intense efter opvarmningen. Ét af produkterne hedder 'Shrinky Dinks'. Brugen af dette materiale som basis for en ny type solceller har Sanjay Ram og kolleger fået offentliggjort en artikel om i det ansete tidsskrift Nano Energy. Resultaterne stammer fra THINC projektet, et internationalt forskningsprojekt, som er finansieret af Innovationsfonden og ledes fra Aarhus Universitet af professor Peter Balling; artiklen inkluderer bidrag fra Rita Rizzolis gruppe ved IMM, Bologne, Italien samt Rui N. Pereiras gruppe ved Aveiro Universitet, Aveiro, Portugal.

Metoden

Man tager et stykke af den klare plast, lægger et tyndt lag guld på, og spænder det op i en ramme, så det kun kan krympe på den ene led. Efter opvarmningen får man så et aflangt stykke, hvor der i overfladen er et tæt mønster af bitte små parallelle rynker - i nanostørrelse. Så starter der en ret så lang proces, før man når til en færdig solcelle, men slutresultatet er en solcelle, som er så tynd, at den kan formes efter en overflade; den kan fremstilles i lange baner; den er billig og holdbar. Den er ikke helt lige så energieffektiv som de kendte siliciumceller, men til gengæld kan prisen blive en helt anden, og montage bliver en let sag. Men vent lige med at bestille en rulle i byggemarkedet: Fremstillingsprocessen går fint i lille skala i laboratoriet, men der vil nok gå nogle år med udviklingsarbejdet før man kan producere den nye type i - lange baner.

Først fordamper man som sagt et uhyre tyndt lag guld på den blanke plastplade. Det er guldlagets tykkelse, f.eks. 20 nanometer (1/5000 millimeter), som bestemmer dybden og bredden af de parallelle, men ikke helt regelmæssige rynker. Guldet opløses så i kongevand, og plastpladen renses.

Så skal vi lidt frem og tilbage: Der tages en afstøbning af rillerne i plastpladen, og den afstøbning anvendes til at fremstille en rynket plade i et materiale, som er mere slidstærkt end plasten. Det er en glaspolymer, som hærder i ultraviolet belysning, lidt som når tandlægen hærder plastfyldningen i dine tænder.

Dernæst lægges flere lag forskelligt materiale på den rynkede glaspolymerplade. Lagene er dels selve det tynde strømproducerende solcellelag, dels ledende lag, som kan føre strømmen væk fra solcellen, så den kan bruges, og dels beskyttelseslag. Resultatet er en solcelle, som er omkring 1/1200 mm tyk, og altså bøjelig.

Dem, vi plejer at bruge

En almindelig solcelle fremstilles af en tynd skive silicium, skåret af en stor siliciumkrystal. På skiven lægges et net af elektroder til at aftage strømmen, og et tykt glaslag som beskyttelse mod vejr og vind. Det sollys, som når siliciumskiven afsætter sin energi og svækkes ned igennem skiven, så kun lyset under en vis bølgelængde, altså fortrinsvis det violette og blå lys, absorberes. Glasset gør solcellen tung, og skiven af siliciumkrystal er dyr og besværlig at fremstille, og den kan kun produceres i forholdsvis små dimensioner - de felter, som man typisk ser på et solcellepanel.

Hvad er fidusen?

Nano-rynke-solcellen har så tyndt et siliciumlag, at noget af sollyset slipper igennem og spejles i rynkerne. Fordi rynkerne er ret uens, tilbagekastes lyset i forskellige vinkler, og det spejlede lys passerer så tilbage igennem siliciumlaget, hvor det hjælper med til at danne mere strøm. Nanorynkerne gør således at solcellens strømskabende lag bruges mere effektivt, fordi sollysets forskellige bølgelængder; især det røde lys kan 'få lov' at gøre nytte. Rynkerne gør desuden, at det indfaldende sollys udnyttes mere effektivt også når lyset ikke lige falder lodret ind på solcellen. Effektiviteten stiger altså for fastmonterede solcellepaneler, fordi de vil fungere bedre ved lav sol morgen og aften og i vintermånederne på de nordlige breddegrader.

Det oprindelige aftryk af Shrinky Dink plastpladen er så hårdt, at det kan bruges flere gange som støbeform, så man på den måde undgår at skulle lave nye guldbelægninger og afstøbninger hele tiden. Det gør selvfølgelig også processen lettere og billigere, og når man har fundet den helt rigtige tæthed af rynker, kan man genbruge dem.

Artiklen har titlen: "Efficient light-trapping with quasi-periodic uniaxial nanowrinkles for thin-film silicon solar cells". Den er offentliggjort i Nano Energy 35:341 i april 2017

Institut for Fysik og Astronomi, Studerende, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen