De mest brukte solcellene i dag klarer i beste fall å utnytte 20 prosent av sollyset. Fremtidens solceller kan bli dobbelt så effektive.

De eneste solcellene som allerede utnytter opp-til 40 prosent av sollyset, er de meget kostbare solcellene som brukes på robotbilen på Mars. De er laget av rådyre materialer som gallium-indiumfosfid og galliumarsenid. Materialene har to store svakheter.

Det er sannsynligvis ikke nok indium i verden til å dekke den fremtidige etterspørselen av solceller. Noen kjemikere mener at alt indiumet på Jorda er brukt opp allerede om ti år. Noen av stoffene i materialene er dessuten alt annet enn miljøvennlige.

Romindustrien bryr seg lite om at solcellene er dyre. Ytelsen og vekten teller langt mer. De dyre solcellene bruker bare halvparten så mye areal for å produsere den samme mengden strøm som vanlige silisiumsolceller på Jorda.

Nå undersøker forskere ved Universitetet i Oslo om de klarer å lage like effektive solceller ved å erstatte det dyre og giftige materialet med en billig erstatning.

Lurere med sink i solceller

Dagens vanligste solceller består av silisium. Med silisium er det teoretisk sett ikke mulig å fange opp mer enn en tredjedel av sollyset. I praksis er prosentandelen langt lavere. Noen klarer bare ti prosent. De beste fanger opp litt over en femdel av sollyset. Forskere ser derfor etter andre materialer til å lage solceller.

Blant annet prøver de sinkoksid. Sinkoksid er billig og består av sink og oksygen. Både sink og oksygen er svært vanlige grunnstoffer på Jorda. Problemet er at det er mye vanskeligere å jobbe med sinkoksid enn silisium.

– Den store utfordringen med sinkoksid, både vitenskapelig og teknologisk, er å lage krystaller som fanger opp lyset og samtidig forbedre de elektriske egenskapene, forteller Eduard Monakhov, professor i nanoteknologi ved Universitetet i Oslo.

– Hele poenget er å finne en ny metode som kan produsere solcellene i storskala i industrien – til markedspris og så billig at de vil bli ettertraktet, både av solkraftverk og hytteeiere.

Tiendedel så tykke

De nye solcellene blir bare en tiendedel så tykke som dagens silisiumsolceller. For å lage solcellene så tynne, nytter det ikke å skjære dem ut av silisiumblokker. Solcellene, som skal bestå av tre lag, må i stedet bygges opp lag for lag. Hvert lag er spesialtilpasset et bestemt farge-spekter i sollyset; rødt, grønt og blått.

– Vi lager først en bakplate med en helt bestemt krystallstruktur. Så legges de andre lagene oppå, med nøyaktig den samme krystallstrukturen. Denne teknologien kalles for epitaksi.

– Men problemene står i kø. Krystallene må kunne fange opp lysfotonene. Og forskerne må få kontroll på de elektriske egenskapene. Det er lettere sagt enn gjort, sier Monakhov.

Atom-manipulering

For å endre på de elektriske egenskapene i materialet, må forskerne manipulere halvlederegenskapene. Da må de gjøre noe med båndgapet. Båndgapet sier noe om hvor mye energi som må til for å dytte elektroner ut i ledningsområdet.

Størrelsen på båndgapet bestemmer hvilket fargespekter i lyset som fanges opp. Materialer med minst båndgap passer best for rødt lys. For å fange opp grønt og blått lys trengs større båndgap.

Ved å bytte ut atomer inne i materialet, kan fysikerne designe materialer med et helt bestemt båndgap, som passer med bølgelengden til den enkelte fargen.

Forskerne ønsker derfor å lage tre ulike versjoner av sinkoksid, med hvert sitt båndgap, tilpasset rødt, grønt og blått lys.

Forskerne kan styre størrelsen på båndgap-et ved å tilsette visse grunnstoffer i sinkoksidet.

– For å minske båndgapet, kan vi tilsette kadmiumatomer. Ønsker vi et større båndgap, kan vi tilsette magnesiumatomer, sier Monakhov.

Problemet er at naturen ikke liker for mye tilsetninger til sinkoksid.

– Jo mer kadmium i sinkoksid, desto dårligere blir krystallstrukturen.

Doper solcellene

Og som om ikke dette er nok: For å kunne lede strøm, må halvlederen dopes med små mengder av andre atomer som sørger for at det blir et overskudd eller underskudd av elektroner.

For å få et overskudd av elektroner, må de tilførte atomene i krystallet ha et elektron for mye.  For å få et underskudd av elektroner, må de nye atomene ha et elektron for lite. Denne elektronmangelen kalles for hull.

Det er ikke bare svært vanskelig å lage slike hull i sinkoksid. Dette er faktisk en av de aller største utfordringene halvlederfysikere, over hele verden, har i dag.

– Hullene kan lages i sinkoksid ved å erstatte sinkatomer med litium eller natrium. Problemet er hvordan vi kan bytte ut atomene uten å ødelegge krystallstrukturen. Det har vi ikke fått til. Laboratorier over hele verden kjemper om å løse dette.

– Førstemann kan få Nobelprisen. Implikasjonene er store. Den dagen dette er løst, kan også de nye, energisparende lyspærene bli mye billigere, forteller Monakhov.