Efterspørgslen efter billigere og mere grøn elektricitet betyder, at energilandskabet ændrer sig hurtigere end på noget andet tidspunkt i historien. Det gælder især for solenergi og batterilagring. Omkostningerne ved begge dele er faldet med hidtil uset hastighed i løbet af det sidste årti, og energieffektive teknologier såsom LED-belysning er også blevet mere udbredt.

Adgang til billig og allestedsnærværende solenergi og batterilagring kan ændre den måde, vi producerer og bruger strøm på. Det kan gøre elektrificering af transportsektoren mulig. Det giver potentiale for nye kemisk baserede økonomier, hvor vi opbevarer vedvarende energi som brændsel (det vi kalder power-to-X red.) og understøtter nye former for produkter med IoT – internet of Things.

Men vores nuværende energiteknologier bringer os ikke ind i den fremtid: Vi når snart grænserne for effektivitet og omkostninger. Potentialet for fremtidige reduktioner i energipriser fra fx silicium-solenergi er begrænset. Fremstillingen af hvert panel kræver en stor mængde energi, og fabrikkerne er dyre at bygge. Og selvom produktionsomkostningerne kan presses lidt længere ned, vokser ekstraomkostningerne ved at installere solpaneler – selve installationen, ledningsføring, elektronikken osv.

Det betyder, at det er usandsynligt, at de nuværende solcelleanlæg kan imødekomme den nødvendige del af vores 30 TeraWatt (TW) globale strømbehov (de producerer mindre end 1 TW i dag) hurtigt nok til at løse problemerne med klimaændringer.

Vores nuværende LED-belysning og displayteknologier er også for dyre og har ikke tilstrækkelig god farvekvalitet til, at det er realistisk, at de vil erstatte traditionel belysning indenfor en tilstrækkelig kort tidsramme. Det er et problem, for belysning tegner sig i øjeblikket for 5% af verdens CO2-udledninger. Nye teknologier er nødvendige, og det skal være hurtigt.

Halid perovskit

Vores laboratorium i Cambridge, England, arbejder med en lovende ny familie af materialer kendt som halogenid perovskit. De er halvledere, der leder ladninger, når de bliver stimuleret med lys. Perovskitblæk kan lægges på glas eller plastik og man kan fremstille en ekstremt tynd film – omkring en hundrededel af bredden på et menneskehår – bestående af metal, halogenid og organiske ioner. Når filmen presses ind mellem to elektroder, fremstiller filmen solcelle- eller LED-enheder.

Fantastisk nok kan farven på lyset, de absorberer eller udsender, ændres ved blot at finjustere deres kemiske struktur. Ved at ændre den måde, vi fremstiller dem på, kan vi skræddersy dem til at være mest egnede til at absorbere lys (til et solpanel) eller udsende lys (til en LED). Det giver os mulighed for at skabe forskellige farvede solceller og lysdioder, der udsender lys i hele spektret fra ultraviolet gennem det synlige lys og til det næsten infrarøde.

Disse materialer er billige og fleksible at fremstille, og de har vist sig at være bemærkelsesværdigt effektive som både solceller og lysgivere. Perovskit solceller nåede 25,2% effektivitet i 2019, lige i hælene på krystallinske siliciumceller på 26,7%, og perovskit LED nærmer sig effektiviteten af de organiske dioder (OLED), der findes på hylderne i dag.

Disse teknologier kommercialiseres hurtigt, især på solcellefronten. UK-baserede Oxford Photovoltaics har bygget en produktionslinje og leverer de første bestillinger i begyndelsen af 2021. Det polske firma Saule Technologies udsendte prototypeprodukter i slutningen af 2018, inklusive en pilot på en solcellefacade med perovskit. Den kinesiske producent Microquanta Semiconductor forventer at producere mere end 200.000 kvadratmeter paneler på sin produktionslinje inden årets udgang. Den amerikanskbaserede Swift Solar (et selskab, jeg var med til at stifte) er banebrydende inden for solceller med høj ydeevne og fleksible egenskaber.

De nævnte og andre virksomheder gør hurtige fremskridt.

Solvinduer og fleksible paneler

I modsætning til konventionelle siliciumceller, som skal være meget ensartede for at have en høj effektivitet, består perovskitfilm af mosaikker af ’korn’ af forskellig størrelse (fra nano-meter til millimeter) og forskellig kemi – og alligevel fungerer de næsten lige så godt som de bedste silicium celler i dag. Hvad mere er, små pletter eller fejl i perovskitfilm fører ikke til nævneværdige strømtab. Den form for mangler ville være katastrofale for et siliciumpanel eller LED.

Selvom vi endnu ikke helt forstår hvorfor, tvinger disse materialer forskerne til at omskrive lærebogen om det, vi betragter som den ideelle halvleder: de kan nemlig have virkelig gode optiske og elektroniske egenskaber på trods af – eller måske endda på grund af – uorden.

Vi kunne hypotetisk bruge disse materialer til at lave ’designer’ farvede solceller, der kan sættes på bygninger, eller solvinduer, der ligner tonet glas, men alligevel genererer strøm.

Men de store muligheder ligger i at udvikle celler, der er meget mere effektive end siliciumceller. Fx kan vi lægge to lag af forskelligt farvede perovskitfilm sammen i en ’tandem’ solcelle. Hvert lag høster fra forskellige regioner i solspektret, hvilket øger den samlede effektivitet af cellen.

Et andet eksempel er det, Oxford PV er banebrydende indenfor: Tilføjelse af et perovskitlag oven på en standard siliciumcelle, hvilket øger effektiviteten af den eksisterende teknologi uden betydelige ekstra omkostninger. Disse metoder med et dobbelt lag film kunne skabe et boost i effektiviteten af solpaneler med mere end 30%, hvilket ville reducere både panel- og systemomkostningerne og samtidig reducere deres energifodaftryk.

Disse perovskitlag udvikles også til fremstilling af fleksible solpaneler, der kan produceres, så de kan rulles som avispapir, hvilket yderligere reducerer omkostningerne. Kraftige, letvægts solceller åbner også muligheder for at forsyne elektriske køretøjer og kommunikationssatellitter med strøm.

For LED lys kan man med perovskit opnå en fantastisk farvekvalitet, hvilket kan føre til avancerede fleksible skærmteknologier. Perovskit kunne også give billigere belysning af højere kvalitet end nutidens kommercielle LED lysdioder med farvetemperaturer, der kan give køligt eller varmt hvidt lys eller en hvilken som helst nuance derimellem. Der er også store forventninger til at bruge det som byggesten i fremtidige kvantecomputere og til ’røntgentbilleder’, til sikkerhed og til ekstremt lave doser af medicin.

Selvom de første produkter allerede er på vej, er der stadig udfordringer. Et centralt problem er at sikre den langsigtede stabilitet af produkterne. Men forskningen er lovende, og når disse er løst, kan halogenid perovskit revolutionere vores energiproduktion og forbrug.

Se den originale artikel her

Oversat og bearbejdet af Lisbeth Lyngse, techst

techst har tidligere skrevet om solenergi i artiklen ’Hvor stå solenergien i dag’