Lovande solcellsmaterial behöver bli blyfritt

Kristallmaterial av typen perovskiter är enkla att tillverka och bra på att absorbera och sända ut ljus. Det är perfekta egenskaper för solceller och LED-lampor. Men dagens perovskiter är för instabila och innehåller dessutom bly. Vid Linköpings universitet utvecklar Wallenberg Academy Fellow Feng Gao nya metoder för att skapa stabila, giftfria perovskiter.

Feng Gao

Docent i biomolekylär och organisk elektronik

Wallenberg Academy Fellow 2017

Lärosäte:
Linköpings universitet

Forskningsområde:
Blyfria perovskiter, perovskitbaserade LED och solceller, organiska solceller

Perovskiter kallas alla material med en viss kristallstruktur som ger dem särskilda egenskaper. De senaste åren har intresset växt för att skapa LED-ljus och solceller med hjälp av varianter av materialet som har en ovanligt bra förmåga att absorbera och skicka ut ljus. De kiselbaserade solceller som dominerar marknaden i dag kan omvandla mer än 20 procent av solljuset till elektricitet – de bästa prototyperna av perovskitbaserade solceller är redan uppe i liknande nivåer. Men det finns ett par stora problem. De perovskiter som just nu används är för instabila, och de mest effektiva innehåller bly. Bly är en tungmetall, giftig för levande organismer och knappast ett bra inslag i ett solcellsmaterial som ska kunna tillverkas i form av en färg som penslas på en yta.

– Blyet är en bärande fråga att lösa. Vi behöver ersätta det med något mer miljövänligt, vi kan inte placera blyinnehållande material på ett tak och riskera att blyet läcker ut vid regn och hamnar i naturen, säger Feng Gao.

Han forskar vid Linköpings universitets avdelning för biomolekylär och organisk elektronik och delar sin tid mellan tre områden: organiska solceller av plastmaterial, perovskitbaserad LED-belysning, och blyfria perovskiter. Som Wallenberg Academy Fellow ska han främst arbeta med perovskiterna.

”Att bli Wallenberg Academy Fellow innebär att jag kan fokusera på en högrisk-idé under relativt lång tid. Det är också ett viktigt erkännande, eftersom Stiftelsen är så ansedd i Sverige.”

Kombination av ämnen både möjlighet och utmaning

I de traditionella perovskiterna bildar blyjoner med laddningen 2+. Hittills har de flesta försök att byta ut blyet i perovskiter handlat om att ersätta det med någon annan metall som bildar joner med samma laddning. Men alternativen är ganska få och resultatet har inte blivit bra. Feng Gao vill istället prova att ersätta blyjonerna med joner av två olika ämnen; hälften med laddningen 1+, hälften med laddningen 3+. På så vis blir alternativen betydligt fler – till och med så många så att det blir ett problem i sig självt.

– Plötsligt har vi ett väldigt bibliotek av materialkombinationer att prova oss igenom. Det ger stora möjligheter, men också utmaningar. Vi tar hjälp av experter på kemiska beräkningar som hjälper oss att begränsa fältet till några lovande kandidater. Av de kombinationerna syntetiserar vi sedan kristaller och testar deras egenskaper, säger Feng Gao.

Det är inte bara effektiviteten som är intressant. De nya perovskiter som Feng Gao utvecklar är också mer stabila än de gamla, blybaserade. I övrigt är många av egenskaperna okända. Det handlar om helt nya material, och analysen av deras styrkor och svagheter är en viktig del av arbetet för Feng Gao och hans kollegor.

Rent ljus och bred absorption bra egenskaper

Generellt har perovskiterna flera egenskaper som gör dem till bra inslag i solceller respektive LED-lampor. I LED drar man nytta av att kristallerna sänder ut mycket ljus, av olika våglängder. Ljuset blir dessutom ovanligt ”rent”; i röda dioder är det mycket rött, i gröna är det mycket grönt. Det starka och klara ljuset är fördelaktigt i bland annat displayer. Färgen kan lätt varieras genom att ett visst ämne i kristallen byts ut.

I solcellerna är det bra att perovskiter absorberar en stor del av solljusets våglängder och att elektroner rör sig lätt i materialet.

– Jag tror inte att perovskiter kommer att konkurrera ut kiselbaserade solceller. Även om våra material kan bli billiga så har tillverkningen av kiselbaserade solceller också gått ner i pris väldigt mycket. Men jag tror att vi i framtiden kommer att se perovskiter kombineras med kisel för att öka effektiviteten ytterligare. Förutsatt att vi löser problemet med blyet, förstås.

Forskning och företagande i kombination

Feng Gao tog examen i Nanjing, i närheten av Shanghai, och forskade lite redan innan han tog sin examen. Därefter flyttade han till Cambridge för en forskarutbildning. Då hade han fortfarande inte bestämt sig för om det var forskning han skulle ägna sig åt på lång sikt. I Cambridge finns många uppstartsföretag och hos Feng Gao växte intresset för både entreprenörskap och forskning. När han hade disputerat kontaktade han professor Olle Inganäs, framstående solcellsforskare vid Linköpings universitet, och bad att få komma till hans grupp som postdoktor.

– Här i Sverige såg jag att Olle hade grundat flera företag. I företagen anställs professionella chefer, så att forskarna kan fortsätta vid universitetet och söka ny kunskap. För mig ledde det här till en insikt: Man kan faktiskt göra bådadera! Det går att ta fram fina forskningsresultat och samtidigt få se dem komma till användning i verkligheten. Att det är möjligt är något jag verkligen tycker om med akademin.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström