I framtida kjøper du kanskje solceller til taket ditt i metervis – på rull. Ei stund før har du anskaffet tur-klær med plastbelegg som lader mobilen med solenergi mens du går.
Slik er det fullt mulig at hverdagen vil bli. For ute i verden er de første plastbaserte solcellene allerede framstilt. Ifølge SINTEF-forsker Espen Sagvolden representerer de en teknologi som i første omgang kan utvide bruksområdet for solenergi – og som kanskje kan gjøre den billigere også etterhvert.
De første plastsolcellene har vært lite effektive, sammenliknet med dagens solceller av silisium. Ved SINTEF har Sagvolden grepet fatt i dette. Ved hjelp av regnemodeller som gjenspeiler materialer på atomnivå, jakter han på material-byggesteiner som kan få plastsolceller til å utnytte mer av sollyset (se faktarute).
Ved hjelp av matematiske modeller jakter SINTEF-forsker Espen Sagvolden på materialer som kan øke energiutnyttelsen i solceller av plast. Foto: SINTEF / Werner Juvik
Klikk for å åpne
– Viser plast seg å ha livets rett i solkraft-markedet, vil verden få billige, tynne og bøyelige solceller. Men de første versjonene har ei levetid bare på to-tre år. Derfor vil det trolig ta tid før plastsolceller eventuelt dukker opp på taket til folk, sier Sagvolden.
Derimot ser han for seg at de ganske raskt kan bli å finne på teltduker og fritidsklær. I tillegg jobber flere industribedrifter med å integrere delvis gjennomsiktige plastsolceller i vinduer til hus og biler.
– Bare fantasien setter grenser, hvis plastbaserte solceller først slår gjennom. Kanskje behøver vi ikke vente lenge så lenge før de gir oss levende bilder på plakater, pluss strøm til å drive andre innretninger med kort levetid. Engangssolcella kan faktisk være rett rundt hjørnet.
Ledende plast Studiene Sagvolden leder inngår i et internasjonalt teknologikappløp som nå er i gang på feltet plastsolceller.
Dagens silisiumbaserte solceller utnytter 16-20 prosent av solenergien, alt etter hvordan de lages. De første plastsolcellene har til sammenlikning en effektivitet på bare ti prosent. Så derfor: Skulle du brukt disse tidlig-versjonene til å produsere en gitt mengde strøm, måtte du ha dekket et større areal enn om du brukte silisiumsolceller.
– Men er ikke plast en isolator i elektrisk forstand?
– Det er riktig at vanlig plast ikke leder strøm. Men det finnes også elektrisk ledende plastmaterialer, sier Sagvolden og sper på med litt mer folkeopplysning:
Elektronskyer
• Rundt hver atomkjerne i alle molekyler er det en sky av elektroner.
• Skal molekyler ha ledningsevne, må elektronskyene overlappe hverandre – og elektronene må være fri for sterke bindinger til et enkeltmolekyl.
• Disse forutsetningene er ikke oppfylt i hverdagsplast. Det er de derimot i ledende plast. Her er elektronskyene så store at de overlapper hverandre med god margin.
Pionerer brakk nakken
De første plastsolcelle-pionerene har vært i sving noen år. Et amerikansk selskap har alt rukket å prøve seg på kommersiell produksjon. Samt gå konkurs.
Sagvolden forklarer at ideen om solceller av plast har verdifulle pluss-sider, men at de første utgavene har flere svakheter. Slik ser “regnskapet” hans ut:
Pluss-sida:
* Håp om lave produksjonskostnader. Plastmaterialene som brukes i dag er ikke billige, men ved masseproduksjon vil prisen sannsynligvis synke. Dessuten kreves bare et veldig tynt lag av plastmateriale. Tyske Heliatek, som nå bygger en fabrikk for masseproduksjon av solceller i et plastliknende materiale, melder at selskapet kan komme ned i et lag på en halv mikrometer – 0,5 tusendels millimeter – og dermed kan bruke så lite som ett gram materiale pr. kvadratmeter.
* Holder på effektiviteten: Silisiumsbaserte solceller mister effektivitet når de blir varme eller ved lav lysstyrke. Plastsolceller er bedre til å bevare effektiviteten.
Minus-sida:
* Kort levetid. For dagens silisiumbaserte solceller garanterer produsentene ei levetid på 20 år eller mer. Når de første plastsolcellene bare lever i to-tre år, er det fordi oksygenet i lufta tærer på dem når de utsettes for UV-stråling.
Sagvolden: – Plastsolceller må kapsles inn for å overleve. Uten beskyttende innkapsling vil de leve i bare noen dager. Forhåpentligvis vil man forbedre fremstillingsteknikker og innkapsling slik at levetiden blir stadig lengre. Glass er en lovende mulighet som prøves ut. Levetidsproblemene må løses, for det er lite realistisk å tro at strømkunder i høykostland ønsker å ha montører på taket hvert tredje år for å skifte ut solcellene.
Sprekere celler
SINTEF-forskeren opplyser at det er stort rom for forbedringer av energiutnyttelsen i plastsolceller. Den teoretiske grensen for effektiviteten til solceller som ikke legges oppå hverandre i lag, er over 30 prosent. Men selv om han forsker nettopp på energiutnyttelsen, understreker han at det ennå er for tidlig å forutsi hvor effektive plastsolceller kommer til å bli i praksis.
– Bare tida vil vise hva som blir mulig, sier Espen Sagvolden.
Slik kan plast gi strøm fra sola
1) I likhet med silisiumsolceller består ei plastsolcelle av to ulike lag med materialer.
2) Elektroner som lager strøm i solceller, tilføres energi når sollys treffer dem. Lyset får dem til å organisere seg annerledes rundt molekylet de bor i. Det reorganiserte området blir en "energipakke".
3) Energien i pakken kan ”smitte” over på et nabomolekyl. Elektroner rundt nabomolekylet overtar energien og reorganiserer seg. Det første molekylet går tilbake til sin vanlige tilstand igjen.
4) Skal ei plastsolcelle produsere strøm, må energipakken nå fram til grensen mellom de to material-lagene.
Det ene laget utøver sterkere tiltrekning på elektroner enn det andre. Idet "pakken" ankommer grenseflata mellom lagene, brukes energien til å sende et elektron fra pakken inn i det førstnevnte laget. Det andre laget får et elektronunderskudd.
5) Elektronene som har passert grenseflata, vandrer etter hvert gjennom ledningen som går ut av solcella. De forsyner elektriske apparater med strøm, beveger seg videre gjennom strømkretsen og returnerer til den andre siden av solcella.
Det er imidlertid stor fare for at energipakken dør ut på veien til grenseflata. Da blir den til varme eller lys og gir ikke strøm. SINTEF jobber med å finne materialer som øker overlevelsestiden til energipakkene i plastsolceller.
SINTEF-forskere har lenge brukt dataprogrammer basert på kvantemekanikk til å regne på elektroners oppførsel i silisiumsolceller. Nå bruker de slike dataprogrammer til å sirkle inn egnede materialer til plastsolceller.
Illustrasjon: Mads Nordtvedt, NTNU. Kilde: SINTEF Materialer og kjemi
