Solceller för framtiden

Ellen Moons

Karlstads universitet Avdelningen för fysik och elektroteknik ellen.moons@kau.se

Fysikdagarna 2010 Karlstads universitet, 7-9 oktober

Elektricitetskonsumtion 2009 140 TWh Sveriges elförbrukning på ett år

15 MWh Sveriges elförbrukning per invånare på ett år

1 terawattimme, TWh, (1012 Wh) är energin som motsvarar vad 40 000 villor använder i hushållsel, varmvatten och uppvärmning under ett år.

Enbart fem länder konsumerar mer el per invånare än Sverige.

Källa: Faktablad Svensk Energi AB, 2010

Elektricitetsproduktion 150 TWh Sveriges elproduktion på ett år.

Nästan hälften vattenkraft hälften kärnkraft.

~10% från fossil- och biobränslebaserad produktion och vindkraft.

Relativt konstant sedan 1990.

Källa: Energiläget 2009, Energimyndigheten.

Global elproduktion 20 000 TWh Global elproduktion på ett år.

Källa: Energiläget 2009, Energimyndigheten.

Ungefär 70% från fossila källor.

Globalt har elproduktionen ökat kraftigt (fördubbling), framför allt från fossila bränslen.

Energianvändning i Sverige 2008

216 TWh förluster

En tredjedel av all energi som används i Sverige är i form av el.

400 TWh Sveriges totala energianvändning på ett år

Källa: Energiläget 2009, Energimyndigheten.

Energitillförsel i Sverige 2008 612 TWh Sveriges energitillförsel år 2008.

1/3 del från fossila källor.

1/3 del från förnybara källor.

1/3 del från kärnkraft.

Källa: Energiläget 2009, Energimyndigheten.

Global energitillförsel 140 000 TWh Global energitillförsel på ett år.

80% fossila bränslen. 13% förnybara källor. 6% kärnkraft.

Den globala energitillförseln ökar kraftigt; framför allt fossila bränslen.

Källa: Energiläget 2009, Energimyndigheten.

Klimat-påverkan

Fossila och förnybara energikällor   Fossila energikällor

  Dessa finns i begränsade, men mycket stora, lager och nybildas mycket långsamt.

  Stenkol, olja, naturgas   Uran (kärnbränsle).

  Förnybara energikällor   Energikällor som hela tiden förnyar sig.   Vind-, våg-, och vattenkraft (flödande)   Biomassa (solbaserad)   Solenergi   Geotermisk energi

  Mellanting   Torv återbildas relativt långsamt och är därför ett

mellanting mellan förnybara och fossila bränslen.

Förbränning bidrar till CO2 utsläpp.

Hållbarhet

Mål och framtidsscenarier

  Mål EU:   Minst 20% energi från förnybara källor år 2020.

  Mål Sverige   Minst 49% förnybar energi 2020 (förnybarhetsdirektiv)   Minst 50 % förnybar energi 2020 (regeringen)   Minst 10 % förnybar energi i transportsektorn 2020.

Scenariot 2050 KVA energiutskott Energitillförsel 2008 och 2050 för Sverige och Globalt

81% 6% 13%

33% 35% 32%

8% 57% 35%

53% 12% 35%

Källa: Om Energin 2050, KVA; Sveriges Energikarta, maj 2010

Energieffektivisering. Kraftig minskning av fossila energikällor.

Scenariot 2050 KVA energiutskott

Elektricitet blir den viktigaste energibäraren i framtiden! (1/7 ►1/4)

Elproduktion 2008 och 2050 för Sverige och Globalt

Källa: Om Energin 2050, KVA Sveriges Energikarta, maj 2010

Kan förnybara energikällor täcka våra energibehov i framtiden?

Source: Nitsch, F.: Technologische und energiewirtschaftliche Perspektiven erneuerbarer Energien. German Aerospace Center. 2007.

GPEC = global energitillförsel per år = 140 000 TWh/år = 16 TW scenariot 2050: 170 000 TWh/år = 19 TW

Solljus - instrålning 174 PW solenergi träffar jorden.

86 PW = 86 000 TW når jordytan… (kontinenter och oceaner) = 5000 gånger vår globala energikonsumtion.

Om hela energibehovet kunde uttryckas i form av el, räcker det att täcka 0,3% av jordens yta med 10% effektiva solceller, eller ungefär 5% av Saharas yta för att täcka hela världens energibehov.

1 PW = 1015 W

Within 6 hours deserts receive more energy from the sun than humankind consumes within a year.

Dr. Gerhard Knies, Chairman DESERTEC Foundation

Hur används solens energi?

  Fotosyntes   Naturlig   Artificiell

  Solvärme   Solfångare för varmt

vatten   Solugn för matlagning

  Solel   Solceller och fotovoltaiska

solkraftverk   Termiska solkraftverk:

Heliostatspeglar koncentrerar ljus till ett högt torn med ångturbin

PS20 och PS10 solkraftverk, Sevilla

Solel: Dagens solceller

solcell modul solkraftpark

Fördelar solceller: ren, lokal direkt el. Inga utsläpp. Ingen transport

Hur fungerar en vanlig solcell?

  Solljus absorberas.   Ljusets energi frigör elektroner som blir rörliga.   Ett elektriskt fält vid gränssnittet mellan n- och p-Si gör

att elektronernas rörelse får en riktning (mot en av kontakterna).

  Ström uppstår i den externa kretsen.

Energidiagram

Hur bra är solcellen?

i mörker

i solljus

Spänning (Volt)

Strö

mtä

thet

(mill

iam

père

/cm

2 )

Solcellen genererar ström utan pålagd spänning

► kortslutningsström Isc

Spänning utan ström ► öppenkretsspänning

Voc

ström/spänningsdiagram

FF (fill factor) = Pmax/Voc.Isc

Pmax Punkt av maximal effekt

Standardvillkor för belysning: Pljus=1000 W/m2 ,25°C, Air Mass 1,5

Vad kan man förvänta sig?

  1:a generationen - kristallint kisel   Solcell

  enkristallint Si 18%; rekord: 25,0%

  multikristallint Si rekord: 20,4%

* Teoretisk limit för en enkel solcell: ~30%

Solpanel

  REC Peak energy series (multikristallint Si)   Storlek 1,65 m2   Vikt 18 kg   Verkningsgrad 14,2 %   Max Effekt 235 WP   Förväntad livslängd (80% power) > 25 år   Pris ~ € 600 eller ~ € 3/WP   Energy pay-back time 1 år

Källa: REC Scanmodule, Glava 080916Watt peak (Wp) = Pmax under standardvillkor för belysning.

Solkraftverk

Sarnia, världens största fotovoltaiskt solkraftverk. Enbridge, Canada. Startas oktober 2010

Kapacitet 80 MW, energibehovet för mer än 12000 hushåll.

Andra material?

  2:a generationen - Tunnfilmsceller   Amorft kisel: 9,5%   Nanokristallint kisel: 10%   Nya material:

  CIGS (Cu(In,Ga)Se2): 19,9%   CdTe: 16%

Vilka material?   3:e generationen

  VHESC (very high efficiency solar cell)   Dyra material, multi-junction, linser 42 %

  Billiga solceller - masstillverkning   ”Grätzelceller” TiO2 + färgämne 11 %

  Organiska solceller:

  Molekylära skikt (vakuum)   Polymersolceller (lösning) 7,4 %

Källa: Green, M.A., Prog. Photovolt: Res. Appl. 2008; 16:61, uppdaterat 2010.

Världsrekordkarta

Källa: Lawrence Kazmerski, National Renewable Energy Laboratory (USA), http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell, 101002

42%

20,0%

11%

7,9%

20,4% 25,0%

1 G

3 G

3 G

2 G

När kommer genombrottet?

Källa: BP Solar Time

Pri

ce

GRID PARITY

Grid electricity

Grid parity: Tidspunkten när priset för el från förnybara källor är lika dyrt eller billigare än nätel.

Source: Eurostat; PV Policy group; PG&E; CIA country files; Public policy Institute New York; McKinsey&Company, REC Assumptions: Annual increase in average electricity prices for households 8 percent

Italy

Norway

Finland South Korea

China India

Greece

France

Sweden

Germany

Japan

New York

Spain

Australia

Texas

California Hawaii

UK

Netherlands

€3/W installed California-Tier 4

Grid parity scenario: 2012

900 800 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500 1 700 1 600 1 800 1 900 2 000 2 100

Insolation (Sunhours) (kWh/m2/year)

Ave

rag

e p

rice

fo

r h

ou

seh

old

s

(EU

R/

kW

h)

0.10

0.30

0.40

0.20

€3 €4 €5 €6 €7

Varför forska vidare?   Priset (€/Wp) behöver gå ner

  Nya material   Låga tillverkningskostnader

  Olika solceller för olika tillämpningar   kiselsolceller är effektiva men spröda, tunga, och

icke-formbara.   Nya tillämpningsområden

  Mobil energiförsörjning   Integrering i andra produkter

  Intressanta forskningsfrågor att lösa

Mål: < € 0,5 / Wp

Prof. Alan Heeger, Nobelpris i kemi 2000. "for the discovery and development of conductive polymers".

Mobil energiförsörjning

Concept design Orange solar-powered tent

Photovoltaic textile

“The solar powered tent has a rocking heated groundsheet, wireless hub and magnetic induction charging pouch.”

‘glo-cation´ technology

Varför plastsolceller?   Fördelar:

  Stor mängd av möjliga material   Billiga att tillverka – skikt från lösning   På olika underlag   Kompatibel med tryckteknik, roll-to-roll   Flexibla, tunna och lätta solceller   Synergieffekter med LEDs

  Utmaningar:   Öka verkningsgraden   Öka stabiliteten och livslängden   Öka förståelsen av kritiska faktorer i

tillverkningen och prestanda

Konarkas PowerPlastic®

Tillverkning av tunna skikt

När provet snurras fort sprider sig droppen och avdunstar lösningsmedlet.

Spin-coating

Ett tunt skikt (~0,1 µm) av halvledande polymer(er)

Fler olika material i lösningen ger blandade skikt

Polymerer i lösning

källa: American Dye Source Ltd., Canada

Polymersolceller Elektriska kontakter till polymerskiktet

Toppelektrod, Al

Substrat, glas

Bottenelektrod, transparent ITO

Aktiva lagret: polymer eller blandning

U

Ljus

Framtidspotential: grafen som kontaktmaterial

Nobelpris Fysik 2010

Hur fungerar en polymersolcell?

ITO Al

e-

elektronacceptor elektrondonor

3. e-h paret tar sig till ett gränssnitt

typ n material (e-acceptor)

typ p material (e-donor) 5. Laddningstransport

e-acceptor transporterar negativa laddningsbärare e-donor transporterar positiva laddningsbärare

+-

1. ljus absorberas 2. donor exciteras, e-h par bildas

ljus

+

-

+ -

4. e-h paret separeras i e- och h+ 5. elektronen överförs till acceptorn

e-

elektronacceptor elektrondonor

Exempel: elektrondonor: APFO-3, en polyfluorencopolymer elektronacceptor: PCBM, en C60-derivat

Polymer/fullerenblandning

Prof. Akira Suzuki, nobelpris i kemi 2010, tillsammans med prof. R. F. Heck och prof E. Negishi

"for palladium-catalyzed cross couplings in organic synthesis".

Polymersyntes: Mats Andersson, CTH

Vilka frågor studeras?   Nya polymerer

  Som absorberar en större del av solens spektrum   Som har högre ledningsförmåga (högre laddningsmobilitet)

  Nya materialkombinationer   Polymer/polymer   Polymer/molekyl   Polymer/nanopartikel

  Arkitektur (morfologi)   Planär: två lager med plant p/n-gränssnitt.   Blandning: n- och p-materialen blandade i skiktet på

nanoskala. Ger ett distribuerat gränssnitt.   Fasseparerade områden med n- och p-material.   Metoder att uppnå en viss arkitektur (under spincoating)

  Nya analysmetoder för att förstå sambandet mellan material och prestanda   strukturen i skiktet.   optiska och elektriska egenskaper, speciellt lokalt, nära

gränssnittet.

Morfologi

källa: Fan Yang, Max Shtein & Stephen R. Forrest Nature Materials 4, 37 - 41 (2005)

Spontan blandning Planär struktur

Problem med laddningstransport

För litet gränssnitt ger för få laddningar

Större gränssnitt och bättre laddningstransport

Kontrollerad blandning

Forskningsfrågor relation morfologi-prestanda

  Struktur/Morfologi   Sammansättning   Solcellstestning

Fasseparation uppstår spontant mellan komponenterna i skiktet under tillverkningsprocessen.

Styra fasseparationen så att laterala eller vertikala strukturen uppstår.

Solceller: Ström/spänningkarakteristika

I) Mulilagerstruktur II) Bilager III) Homogent skikt

Metoder

  AFM - Ytstruktur   SIMS – Bulk sammansättning

  NEXAFS – Ytsammansättning   I-V mätningar - Komponenter

Samarbeten/kontakter

Polymer Solar Cells

polymers CTH

nanoparticles KaU, Perugia

Materials synthesis

thermodynamics JU Kraków

Blends

optical KaU

electrochemical CTH

Materials characterisation

composition AGH Kraków

structure KaU

Thin film characterisation

optical KaU

characterisation KaU, LiU, Augsburg

modeling Braga

fabrication KaU

Solar cells

Scale-up?

Stability ?

?

Framtiden

  Integration of technologies   Organic-inorganic hybrid solar cells

  Integration of solar power   Solar cells on texile, plastic, paper, packaging

materials, steel

  Integration of solar energy   Solar cell education

Forskarfredag 2010 Långserud skola åk 5&6

Tack   Doktorander och postdoks

  Ana Sofia Anselmo   Cecilia Björström- Svanström   Sudam Chavhan   Svante Nilsson

  Kollegor fysik och fysikalisk kemi, Kau   Samarbetspartners

  Mats Andersson (CTH), Olle Inganäs (LiU)   Andrej Bernasik, Jakub Rysz, Andrzej Budkowski (Krakow)   Andreas Opitz, Ulli Hörmann (Augsburg)   Marta Ramos (Braga)

  Finansiering   Nätverkforskarskolan för materialvetenskap   Vetenskapsrådet   Energimyndigheten   EU, Marie Curie Host fellowships