Morgondagens solceller kan både bli betydligt mer effektiva och billigare med hjälp av materialet perovskit. Men det behövs mer forskning och vid Linköpings universitet inspireras forskarna av halvledarutvecklingens framgångar.
Projektanslag 2019
Multidisciplinary Design of Lead-Free Double Perovskite Alloys for Future Optoelectronics and Spintronics
Huvudsökande:
Professor Feng Gao
Medsökande:
Linköpings universitet
Igor Abrikosov
Weimin Chen
Mats Fahlman
Lärosäte:
Linköpings universitet
Beviljat anslag:
34 miljoner kronor under fem år
De senaste åren har antalet solcellsanläggningar mer än fyrdubblats i Sverige. I dag domineras marknaden av kiselbaserade solceller men andra former väntar i kulisserna. Här finns bland annat färgämnesbaserade solceller, så kallade Grätzelceller, organiska solceller tillverkade av polymerer, och solceller av halida perovskiter. För att en teknik ska bli aktuell måste den ha tillräckligt hög verkningsgrad, lång livslängd och vara billig att serietillverka.
– Dagens kiselbaserade solceller har sjunkit oerhört mycket i pris de senaste åren och de kan hålla i tjugo års tid. Tekniken vi utvecklar förväntas vara lika effektiv som kisel och dessutom billigare, säger Feng Gao, som leder projektet som finansieras av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
Enklare tillverkning
Halida perovskiter är ett samlingsnamn på en rad material med en kristallstruktur som är ovanligt bra på att absorbera och även skicka ut ljus. Materialet kan därför användas både i solceller och i LED-ljus. Dessutom kan optoelektroniska komponenter av perovskit tillverkas med metoder som liknar vanlig tryckteknik, till skillnad från kiselcellerna som kräver en komplicerad metod i flera steg. Men hittills har perovskit dragits med flera problem. Det har varit svårt att göra materialet stabilt nog och det innehåller tungmetallen bly.
Sedan 2017 har Feng Gao forskat fram stabila alternativ till de blybaserade perovskiterna. Där ersätts bly med en dubbel uppsättning metalljoner i något som kallas dubbla perovskiter. Nästa steg är att lyckas framställa dubbla perovskiter med bättre optiska egenskaper.
I ett multidisciplinärt projekt med tre andra forskare vid Linköpings universitet ska Gao därför utveckla helt nya former av legeringar av två olika dubbla perovskiter.
– Jag fick idén som Wallenberg Academy Fellow och inspirationen kommer från den framgångsrika halvledarutvecklingen som revolutionerade elektronikindustrin. Där öppnade legeringar möjligheten att skräddarsy olika ämnens elektroniska egenskaper, säger Feng Gao.
Nu kan legeringar av dubbla perovskiter till exempel göra det möjligt att bestämma vilka våglängder av solljuset som ska absorberas och även emitteras. Legeringen gör det nämligen möjligt att styra det optiska bandgapet hos materialet.
Projektet har pågått sedan 2020 och forskarna har identifierat en handfull alternativ med lovande egenskaper. Samtidigt tror de sig hitta mångdubbelt fler med mer förfinade metoder.
– Alternativen kommer att öka dramatiskt i takt med att vi utvecklar nya verktyg. Vi arbetar med teoretiska beräkningar som följs upp av experiment för att öka förståelsen och nå fram till metod som kan få en mer generell användning, säger Feng Gao.
Forskarna låter teori och experiment växelverka med varandra. Beräkningar och modelleringar följs upp av experiment där resultatet delas med teoretikerna för att hitta fram till nya sätt att karaktärisera material med rätt prestanda.
Fångar upp inomhusljus
Ytterligare en fördel med de perovskitbaserade solcellerna är att de kan fånga upp och omvandla energin från inomhusljus. En egenskap som i sig kan bli viktig i utvecklingen av nya sensorer för det växande Internet-of-things där allt fler vardagsföremål ansluts till internet för styrning och övervakning. Om sensorerna kan drivas av inomhusbelysningen så kan de få betydligt större spridning än om de är beroende av regelbundna batteribyten.
– Dessutom kan olika solcellstekniker komplettera varandra beroende på vilken tillämpning som eftersöks, säger Gao.
Till exempel är det möjligt att tillverka mer eller mindre transparenta solceller av vissa material, som då kan placeras på fönster eller täcka in husfasader. Genom att kombinera flera tekniker ökar de potentiella tillämpningarna av solceller.
Ett ämne för kvantdatorer
Ett av de experiment som hittills utförts har inkluderat järnjoner i legeringen som gett perovskiterna magnetiska egenskaper. Detta kan bana väg för användning av spinntronik, som är en teknik som förväntas spela en viktig roll i morgondagens informationsteknik.
Spinntroniken gör det möjligt att använda elektronernas spinn som bärare av information. Detta kan ge en mer energieffektiv informationslagring, samt snabbare bearbetning och överföring av data. På sikt kan spinntroniken bli en nyckelteknik i utvecklingen av kvantdatorer.
– Vi behöver fortfarande nå fram till sätt att behålla de spinntroniska egenskaperna även i rumstemperatur. Men förhoppningsvis kommer vi att lägga grunden för ett helt nytt forskningsområde baserat på dubbla perovskitlegeringar.
Hittills har experimenten krävt nedkylning till cirka -243,15 °C vilket närmar sig den absoluta nollpunkten.
– Det pågår forskning om perovskiter på många platser i världen men vår inriktning är unik. Därför är jag också mycket tacksam till Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse som gör det möjligt att genomföra ett så riskfyllt projekt, säger Feng Gao.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Thor Balkhed
