Framtidens solceller blir mer miljövänliga och lättanvända

Dagens kiselbaserade solceller kan snart få sällskap av plastsolceller med betydligt fler användningsområden. De är lätta, genomskinliga och flexibla, och tillverkningen är miljövänligare. Men de måste bli mer effektiva och stabila. Ergang Wang, Wallenberg Academy Fellow vid Chalmers, arbetar med att finna nya lösningar.

Ergang Wang

Docent i tillämpad kemi

Wallenberg Academy Fellow 2017

Lärosäte:
Chalmers

Forskningsområde:
Utveckling av polymerer och grafenliknande material för bland annat solceller, fotodetektorer och lysdioder.

Solceller består av material som kan omvandla solens energi direkt till elektricitet. De förväntas bli en viktig del av våra framtida energisystem, och de blir allt billigare tack vare nya produktionssätt. Men tillverkningen av kiselbaserade solceller, som dominerar marknaden i dag, är inte oproblematisk. Den är energikrävande och ger miljöfarliga utsläpp. Vid Chalmers avdelning för tillämpad kemi arbetar Ergang Wang med nya material som ska bidra till att lösa problemen.

– Vi utvecklar solceller av organiska material, olika typer av polymerer. De ska bli mer miljövänliga och dessutom enklare att använda än de kiselbaserade solceller som dominerar i dag, säger Ergang Wang.

Han samarbetar med forskare vid Linköpings universitet under ledning av professor Olle Inganäs. De får den specialtillverkade polymeren som ett plastpulver från Ergang Wangs labb, löser upp pulvret i ett lösningsmedel och låter det stelna i ett tunt lager ovanpå en annan plastfilm. Resultatet blir ett lätt, genomskinligt ark som kan färgas och formas hur man vill.

Ergang Wang visar hur solceller kan se ut i färdigt skick. Han har en rulle av solcellsmaterial som kan dras ut ur en behållare och kopplas direkt till en mobiltelefon för att ladda den. Det finns också en solhatt med solcell ovanpå, och ett löv. Han leker med idén att lövet skulle kunna bli ett av många på ett konstgjort träd, och på så vis bli både energikälla och utsmyckning i stadsmiljö.

Nya användningsområden för lätta solceller

Att de organiska solcellerna är så flexibla gör att de kan användas på helt nya sätt. Dagens solceller behöver monteras av hantverkare, vilket gör installationskostnaden hög. De placeras i allmänhet på tak men är så tunga att mindre byggnader inte tål vikten. Organiska solceller skulle kunna klistras direkt på väggar – eller över fönster, eftersom de är genomskinliga. Privatpersoner kan montera dem själva och färgen kan varieras. De är så lätta att man kan bära dem med sig till exempel utanpå ryggsäcken för att ladda bärbar elektronik.

Men för att organiska solceller ska kunna konkurrera med de traditionella behöver de bli mer effektiva. I kiselbaserade solceller omvandlas 18–20 procent av solenergin till elektricitet. I de organiska har Ergang Wang och hans kollegor lyckats åstadkomma en energiomvandling på 15 procent, men bara för en liten testcell i labbet. I de större solcellerna ligger effektiviteten på 10 procent som mest.

– Vi arbetar med att ta fram nya material med ännu bättre egenskaper. Polymeren behöver ha ett brett absorptionsspektrum så att den tar upp många av ljusets våglängder, och dessutom ha förmåga att transportera elektronerna effektivt, säger Ergang Wang.

Inom några år räknar han med att uppnå en effektivitet på närmare 12 procent. Då bör solcellerna bli kommersiellt användbara.

Material i nätverk blir mer stabilt och effektivt

Effektiviteten är den ena utmaningen, stabiliteten den andra. Kiselsolceller har en livstid på mellan tjugo och trettio år, de organiska solcellerna högst tio. Ergang Wang har utvecklat ett nytt koncept som han räknar med ska förbättra stabiliteten. Normalt innehåller det aktiva lagret i en solcell två olika material, ett som kan avge elektroner och ett som kan ta upp dem. Solenergin driver det flödet, alltså den elektriska strömmen i solcellen. Ergang Wang kombinerar de två materialen i ett sammanhängande nätverk, inom samma polymer, vilket ökar både effektiviteten och stabiliteten.

– Användningsområdena kan också vara andra för organiska solceller jämfört med kiselbaserade. De organiska som enkelt monteras på ett fönster, en vägg eller ett växthus kan utan problem bytas vart tionde år. Då behöver inte livslängden vara densamma.

Bättre balans mellan arbete och privatliv

Under skoltiden i Zhumadian, i provinsen Henan i Kina, sa Ergang Wangs lärare att ”om ni arbetar hårt, kan ni uppfylla er dröm och bli forskare”.

– När jag först hörde det visste jag inte ens riktigt vad en forskare gjorde. Men sättet de sa det på fick det att låta stort och viktigt. Det inspirerade mig, och med tiden blev jag också forskare.

”Att bli utsedd till Wallenberg Academy Fellow är en stor ära för mig. Jag är mycket glad för det. Det ger mig en frihet att driva de projekt jag vill, och minskar stressen eftersom jag inte har samma behov av annan finansiering. Nu kan jag fokusera på forskningen.”

Mest intresserad blev han av kemi, och när han började arbeta med organiska solceller kände han att han hade hittat rätt. Samtidigt var det ett osäkert forskningsområde.

– När jag började på fältet var organiska solcellers effektivitet bara två procent, så ingen var riktigt säker på om de skulle bli användbara. Sedan dess har vi gjort stora framsteg, och nu är vi nära tillräcklig effektivitet. Det är väldigt uppmuntrande.

När Ergang Wang hade skrivit sin avhandling ville han prova att arbeta utomlands. Han tog kontakt med professor Mats Andersson vid Chalmers som han visste drev intressant forskning kring solceller. Han visste inget mer om Sverige än att den skickliga professorn fanns där, men väl på plats blev han väldigt nöjd. Han bestämde sig för att stanna.

– Att leva här är bra både för mitt liv och min karriär. I Sverige är balansen bättre mellan arbete och privatliv, och friheten är större. Du kan göra det du vill och som forskare kan du drivas av ditt eget intresse. Varje dag innebär nya utmaningar, och det inspirerar mig!

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström