Färgämnesensitiserade solceller

Forskning på Grätzel-celler - den molekylära färgämnessensiterade solcellen

Förhoppningarna på den tredje generationens solceller är stora. De ska vara billiga och enkla att masstillverka samt ha en hög verkningsgrad.

Vi arbetar med en solcellsteknik som dök upp för ungefär femton år sedan när en forskargrupp i Schweiz upptäckte Grätzel-cellen. Sättet att framställa solcellerna är väldigt enkelt, det är kemin i tillverkningen som är high-tech. Grätzel-cellen, efter upphovsmannen Michael Grätzel, kallas även nanostrukturerad eller färgämnessensiterad solcell. Det som är speciellt med den här solcellen är att den härmar fotosyntesen i gröna växter. Nanopartiklar av titanoxid (det vita i målarfärg) doppas i ett färgämne som fångar solenergin och omvandlar den till elektricitet. – Upptäckten var en slump, det fungerade men ingen visste varför. Tittar man på enskilda komponenter är det svårt att förstå hur det går till, men tillsammans ger de en stabil och effektiv solcell. Nu vet vi lite mer, men det finns fortfarande frågor att lösa om hur processen går till i detalj.

Solceller med potential

Det finns prognoser som säger att det globala energibehovet kommer att fördubblas till år 2050 jämfört med idag. Solenergi har stora möjligheter att bli en viktig del av energiproduktionen, speciellt i länder med mycket sol och redan höga elpriser. Solceller används mest på platser som inte har tillgång till elnät. Satelliter, fyrar och väderstationer är några exempel. I U-länder kan de driva tv- och radioapparater. Solceller kan även användas istället för traditionella batterier i leksaker och trådlös elektronik. Idag växer världens solcellsproduktion med cirka 50% per år.

Solceller kan klassas i tre generationer. Dagens solceller, den första generationen, bygger på kiselteknik. De är tekniskt bra och kan köpas som solpaneler med typiska verkningsgrader på 13%. Tillverkarna garanterar att de håller i 20 år. Problemet är kostnaden, de är alldeles för dyra att producera. Den andra generationen är så kallade tunnfilmssolceller, de är tekniskt lika bra som kiselsolcellerna, men uppskattas bli cirka 5 gånger billigare att producera.

De nanostrukturerade solcellerna räknas till den tredje generationen, de är ännu på forskningsstadiet och många aktörer vill vara först med att kunna tillverka en produkt industriellt. Hittills har man lyckats nå en toppverkningsgrad på 11%. Gerrit Boschlos forskargrupp (som tidigare leddes av Anders Hagfeldt) ligger internationellt sett långt framme. De har varit med från början och samarbetar dels med Grätzel, dels med KTH och Swerea IVF AB inom ramen för Center for Molecular Devices (CMD). Swerea IVF ansvarar för processutveckling och tillverkning av testceller och moduler, medan KTH ansvarar för komponentutveckling, cellkarakterisering samt utveckling av mätmetodik.

Unika möjligheter

Solceller fungerar som ett batteri med en minuspol och en pluspol. Man måste ha en genomskinlig kontakt med ett elektriskt ledande skikt, för att få elektricitet när solen lyser. I det här fallet är minuskontakten en glasbit belagd med ledande skikt och en porös film, bestående av titanoxidpartiklar, samt färgämne. Pluspolen är samma typ av glasbit, med en porös kolfilm eller ett skikt av platina. De två glasbitarna slås ihop och mellan dem finns en elektrolyt, en vätska som leder ström och förmedlar laddningar mellan minus- och pluspol.

– Det är fortfarande en bit kvar, men vi tror att nanostrukturerade och molekylära solceller har en del unika möjligheter jämfört med andra metoder.

En fördel med den nanostrukturerade solcellen är att det går att jobba mycket med design och olika färger. De kan också i stället för glas beläggas på flexibla plastmaterial. Eftersom den är så enkel att tillverka blir investeringskostnaderna förhållandevis låga och den har stora möjligheter att kunna masstillverkas.