Energi, är i grunden elektronens rörelse eller förmågan till rörelse. Det finns många former av energi, exempelvis elektrisk energi, kemisk energi, lägesenergi, rörelseenergi och värmeenergi. Nanoteknologinleder till framsteg hur vi kommer att generera, lagra, överföra och använda energin.
Solcell
Med nanoteknologi för en hållbar energi
Energi, är i grunden elektronens rörelse eller förmågan till rörelse. Det finns många former av energi, exempelvis elektrisk energi, kemisk energi, lägesenergi, rörelseenergi och värmeenergi. Nanoteknologin leder till framsteg hur vi kommer att generera, lagra, överföra och använda energin.
Solcell
Varje timme ger solen lika mycket energi som hela mänskligheten använder under ett år eller den solenergi som når jorden varje dag motsvarar mer än 15 000 gånger den elektricitet som vi behöver i vår vardag! Solceller fångar ljusenergin (fotoner) och omvandla den till elektrisk energi. Om vi kunde skörda solens strålar på ett smartare sätt, höja verkningsgraden på solcellerna och att utveckla nya typer av solceller baserade på nya material och strukturer skulle vi kunna lösa vårt energibehov och gå ifrån olja, kol och gas.
Utvecklingen av solceller brukar delas in i tre generationer där den
Den första generationen är de nu dominerande kristallina kiselsolcellerna. Dessa har fått sitt namn av strukturen hos solcellernas kiselatomer, som är ordnade likt kristaller. De har en verkningsgrad runt 12 -20 % och en livslängd på 30 år. De finns i två varianter: monokristallina och polykristallina.
Silikon eller kiselsolceller är dyra, kräver mycket energi vid tillverkningen, påverkas negativt av värme, vilket innebär att de ger mindre ström när de blir riktigt varma. Fördelen är att det finns gott om kisel på jorden.
De kristallina kiselceller tillverkas genom att kisel renas, smälts och dopas med bor och fosfor för att skapa laddade områden och för att bilda donator-acceptor-övergång. När smältan har stelnat skärs tunna skikt ut och behandlas med kemikalier. Skiktet förses med metallsträngar som kan samla upp strömmen och leda den vidare. Dessa celler är sedan anslutna i serie och är sedan inkapslade eller på annat sätt säkrade inuti en stel ram under en transparent skärm för att bilda en färdig solpanel. En kiselsolcell är mellan 150 till 200 μm tjock, mörkblå till svart och kan inte göras transparanta.
Tunnfilmssolceller
Den andra generationen är tunnfilmsolcellerna och de innefattar användningen av amorf kisel, CdS (Cadmium Selenide) och CIGS (Koppar Indium Gallium Selenide). Solcellerna har fått sitt namn från den tunna film som absorberar ljuset. Tunnfilmssolceller har en verkningsgras mellan 7 – 13 % vilket är lägre än kiselceller men de fungerar bättre än kristallina kiselsolceller vid diffust ljus och de påverkas inte lika negativt av värme som kristallina kiselsolceller.
Amorft kisel
Amorft kisel skiljer det sig från kisel i att den är icke-kristalliserat och har en oordnad kristallstruktur. Det innebär att en del av atomerna i dess kemiska struktur motstår bindning, de ”dinglar”. Detta ämne, ofta förkortat a-Si , har många fördelar framför kristallint kisel vid tillverkning av tunna filmer för beläggning av solceller (PV) system. Man kan tillämpa amorft kisel på stora områden, glas, polymer eller metall på ett mer enhetligt sätt än kisel och vid mycket låga temperaturer. Materialet behöver dock behandlas (hydreras) för att bli mer stabilit och hållbart innan det kan tillämpas som en tunn film på solceller.
Amorf kisel kan absorberar upp till 40 gånger mer solstrålning än kristallint vilket gör att man bara behöver en mycket tunn filmbeläggning krävs för att absorbera 90 procent eller mer av direkt solljus. Den enda nackdelen med att använda amorf kisel i solcellen applikationer är något som kallas Staebler-Wronski effekt, celler i materialet tenderar att minska spänning produktionen med upp till 20 procent efter initial exponering för naturligt solljus, materialet stabiliseras efter en tid. Filmen är mellan 1 – 3 μm tjock. Verkningsgraden är mellan 4 – 10%. Den är rödbrun till violettblå.
Telluride Kadmium (CdTe) och koppar / indium / gallium / selen (CIGS)
CdTe och CIGS är stabilia över tiden och kan produceras till rimlig kostnad i en roll-to-roll-process. Dessa typerna av solceller är inte så känsliga mot värme och kan fånga diffust ljus.
OPV
Organiska solceller (OPV) då de bygger på kol, och inte metaller. OPV tillverkas genom att en tunn transparent ledare, appliceras på en yta. Ovanpå läggs halvledarskiktet som ska absorbera ljuset. Halvledarskiktet skapas genom att de separata ämnena förångas och reagerar med varandra på glasskivan i en vakuumkammare. På så sätt skapas en tunn kristallin film. Ovanpå appliceras ett buffertskikt och en transparent ledare som ska samla upp strömmen och leda den vidare. Dagens bästa tunnfilmssolceller tillverkas av galliumarsenid och har en verkningsgrad på runt 28 procent.
Grätzelceller (DSC) Färg Sensitized Solar Panels,
1991 upptäckte kemiker Michael Graetzel så kallade färgkänsliga solceller (DSSC) och består vanligtvis av TiO 2 (titandioxidoxan) nanopartiklar som är sandwichade mellan ett färgämne och glasplattor Grätzelceller. Genom att efterlikna växternas fotosyntes kan de ta tillvara svagt solljus. Istället för klorofyll används nanopartiklar av titandioxid som doppats i ett färgämne. Färgämnets elektroner får så mycket energi av ljuset att de lossnar och skapar en ström mellan två elektroder.
Grätzelcellen genererar energin genom elektron-förflyttning mellan den fotoaktiva negativa sidan bestående av infärgad TiO2 – anoden – och den positiva motelektroden av plastfolie eller glas. Då solljus träffar den infärgade sidan avger den negativt laddade elektroner som via TiO2 tar sig över till den andra elektroden via en yttre ledare (och eventuell last). Det uppstår då ett tomrum på den infärgade sidan som fylls med elektroner från joner i elektrolyten. Jonerna blir oxiderade av färgämnet. När tomrummen har blivit fyllda kan elektronförflyttningen upprepas. Grätzelcellen bygger på att denna process repeteras tills elektrolyten inte längre avger joner.
Solcellerna fungerar bäst i svagt ljus, när energin kommer i lagom takt och hinner konvertera ljusenergi till el. Vid lågintensivt inomhus ljus omvandlas 28% av den ljusenergi de absorberar till el. I full sol omvandlar de bästa DSSC: erna endast 14% av energin i solljus till el, jämfört med cirka 24% för standard solceller.
DSSC solpaneler är flexibla, billiga, lätta ooch upptar inte mycket utrymme. Panelerna kan fästas på byggnader, bilar, tält eller någonstans som man önskar. Då dessa fungerar bra i diffust ljus fungerar solcellen även vid svagt ljus är ett intressant användningaområde även inohus i svagt ljus för att driva enheter.
Perovskitsolceller
Perovskit är en förening av kalcium, titan och syre samt ett samlingsnamn för flera material uppbyggda av liknande kristallstrukturer som visar en mängd olika spännande egenskaper som superledning, magnetoresistance och mer. Den första perovskiten upptäcktes i Uralbergen redan 1839, det tog fram till 2006 när man upptäckte att vissa perovskiter är halvledare och hade en potential för en ny typ av solceller. Man insåg snabbt att dessa perovskitiska material nådde effektivitet som var i närheten av de bästa silikonsolcellerna. Det beror på att perovskitmaterialet både ett direkt och indirekt bandgap, som har mycket liknande energinivå. Det betyder att elektroner upplever båda typer av bandgap, vilket leder till stark absorption och en ovanligt lång livslängd.
Perovskitceller kan också göras billigt med befintliga industriella kemikalier och metaller. Solcellerna kan produceras på flexibel plastfilm i roll-to-roll process med en teknik som redan är etablerad inom tryckeribranschen. Förutom att solcellerna kan massproduceras till mycket låga kostnader kan man göra solpaneler av nästan vilken yta. Ytterligare en fördel är att de är halvtransparenta kan perovskitfilmer också användas för att förvandla fönster till solgeneratorer genom att fånga in en del av det inkommande solljuset medan de tillåter resten att passera.