Nye solceller giver håb for klimaet: Solkraft skal redde Jorden
På halvanden time modtager Jorden mere energi fra Solen, end vi bruger på et år – og takket være nye tekniske gennembrud er vi klar til at udnytte den. Solceller bliver nu så billige og fleksible, at eksperterne ikke er i tvivl: Solkraft er vores bedste kort i kampen for klimaet.
Dybt inde i Solen fusionerer to brintatomer og skaber en ekstremt energirig lyspartikel, en foton, som nu begynder sin lange rejse mod Jorden.
Som kuglen i en pinballmaskine kastes den fra side til side på en zigzagkurs, og først efter flere millioner af år når den ud til overfladen. Men herfra går det stærkt. På blot otte minutter rejser fotonen de 150 millioner km til Jorden, hvor den rammer en solcelle.
Når du lader din mobiltelefon op, bruger du altså fusionsenergi, som er skabt i Solens indre – men kun en lille smule, desværre, for i dag dækker solenergi blot ca. fem procent af verdens elforbrug.
Hvis vi udnyttede Solens energi optimalt, ville vi kunne høste 23.000 terawatt strøm fra solceller, hvilket er 5700 gange mere end potentialet i vandkraft og 175 gange mere end i vindkraft – og hele 8000 gange større end den mængde strøm, kloden bruger i dag.
Derfor vil vi i de kommende år se gigantiske solkraftværker skyde op både til lands og til vands, og i byerne vil helt nye typer solceller – synlige og usynlige – gøre deres indtog på tage, husfacader, biler og vinduer.
Solkraft tager føringen
Strøm fra solenergi har i årtier haltet efter vind- og vandkraft, men det er nu ved at ændre sig. I disse år overhaler kapaciteten for solcellestrøm vindmøllernes kapacitet, og Det Internationale Energiagentur, IEA, spår, at det samme vil ske i forhold til vandkraft før 2025.
I 2027 vil solceller ifølge forudsigelserne have en kapacitet, som overgår kulkraftværkernes.
Sol overhaler indenom
Ifølge forskernes fremskrivninger stiger produktionen af solkraft stejlt de kommende år. Allerede i 2027 vil kapaciteten i solceller (gul) overhale fossile brændsler som kul (sort) og naturgas (grøn). Vindenergi (mørkeblå) vil også spille en større rolle, mens vandkraftens andel (lyseblå) af den samlede kapacitet falder.
Udviklingen skyldes først og fremmest, at priserne på solceller er styrtdykket det seneste årti, så solkraften er blevet konkurrencedygtig med andre energikilder.
Ifølge en rapport fra den internationale organisation for vedvarende energi, IRENA, faldt prisen på strøm fra store solcelleanlæg med 85 procent fra 2010 til 2020 – og samme år meddelte IEA, at solkraft nu leverede “historiens billigste elektricitet”.
Kigger vi et årti længere frem, bliver mulighederne i solkraft endnu større. Forskere over hele verden er i fuld gang med at udvikle nye typer solceller, som kan høste energi på steder, hvor de traditionelle celler – også kaldet generation 1 – ikke kan bruges.
Solceller er stadig i voksealderen
Generation 1: Silicium gav gennembruddet
Eksperter kalder de velkendte solceller af krystallinsk silicium for første generation. Styrken er, at de er effektive og kan holde i mange år. Svagheden er, at de er ufleksible og kræver store mængder energi at producere.
Generation 2: Nye stoffer giver fleksibilitet
I anden generation findes solcellefilm, som kan bestå af forskellige materialer. Filmen er fleksibel og hurtig at producere, men ulempen er, at den typisk har en lavere effektivitet og ringere holdbarhed end siliciumcellerne.
Generation 3: Organiske celler bliver billigere
Tredje generation af solceller kan bestå af både uorganiske og organiske stoffer. De organiske solceller er typisk udformet som en tynd og let folie, der kan monteres overalt, er billig og har potentiale til en høj effektivitet.
Fordelen ved solceller i generation 2 og 3 er, at de er tynde og bøjelige, og at de kan produceres i store mængder på kort tid.
Især de såkaldt organiske solceller udmærker sig ved, at de kan trykkes på en tynd folie i en “rulle-til-rulle”-proces, som minder om måden, vi trykker aviser på.
Organiske solceller kan trykkes på en millimetertynd film. Metoden minder om måden, aviser bliver trykt på.
Udviklingen af nye solceller betyder dog ikke, at det er slut med siliciumbaserede celler. De vil fortsat være det foretrukne valg til store solkraftværker, især fordi de stadig er de mest holdbare og effektive.
I dag kan siliciumcellerne under optimale betingelser omsætte op mod 23 procent af solenergien til strøm. Levetiden på cellerne er mellem 20 og 30 år, og allerede efter 6-14 måneder har de høstet mere strøm end den energi, som er brugt til at producere dem.
De største solcellefarme ligger i øde landområder langt fra forbrugerne, men sådan behøver det ikke at være – de kan fx lige så godt ligge på vandet.
I 2022 trak slæbebåde fx 12.000 solpaneler ud i Europas største opdæmmede sø, Alqueva, i Portugal.
Solkraft skal være renere
De siliciumbaserede celler har dog også en række svagheder.
For det første er de tunge og ufleksible, så de kan ikke sættes op overalt. Det giver fx begrænsninger i byerne, hvor mange tagkonstruktioner er for svage til at bære dem.
For det andet kræver produktionen af cellerne meget energi, fordi man skal varme silicium-materialet op til over 1000 grader for at rense det og få det til at krystallisere.
Og for det tredje indeholder cellerne giftige stoffer som bly, hvilket giver miljøproblemer, når solcellerne er udtjente og skal skrottes.
Generation 2-solcellerne kræver mindre materiale og mindre energi at fremstille, men de fleste indeholder også giftige stoffer som kadmium og arsenik samt sjældne og dyre stoffer som tellur, indium og gallium.
De problemer skal generation 3 forsøge at løse.
Her har forskerne valgt at gå i en helt anden retning og udvikle såkaldte organiske solceller, som er baseret på lange, kulstofholdige molekyler. De organiske celler bliver billigere, mere fleksible og bedre for miljøet end de foregående generationer.
En forsker ved Heliatek i Tyskland tester den bøjelige film af organiske solceller.
Selve processen i de organiske celler adskiller sig på et væsentligt punkt fra andre solceller.
I en siliciumbaseret solcelle kan en foton fra sollyset ret nemt slå en negativt ladet elektron løs fra krystalstrukturen. Samtidig dannes et tilsvarende positivt ladet “hul”, og de to ladninger vandrer til hver sin elektrode i solcellen, så den kan tappes for strøm.
I en organisk solcelle er det sværere at skille de to ladninger fra hinanden. I stedet for et krystalgitter indeholder solcellen en blanding af to forskellige organiske stoffer, hvor det ene kaldes “donoren” og det andet “acceptoren”. De to materialer trækker ladningerne i hver sin retning, så resultatet bliver en fri elektron og et frit positivt hul.
Organiske stoffer skaber strøm
Den organiske solcelle er en burgerkonstruktion, hvor to elektroder er placeret som brødet i top og bund. Bøffen består af et miks af to kulbaserede stoffer, som absorberer fotoner i sollyset.
1. Foton skaber par af ladninger
Når en foton rammer materialet i solcellen, skaber den en såkaldt exciton, som er en fri negativt ladet elektron med et tilsvarende positivt ladet “hul” bundet til sig. Excitonen bevæger sig i en tilfældig retning i solcellen.
2. Ladningerne splittes ad
Excitonen møder nu en grænse mellem solcellens to organiske stoffer. Det ene stof er en såkaldt acceptor, som tiltrækker elektronen, mens det andet stof, donoren, tiltrækker det positive “hul”. Derfor splittes excitonen i to.
3. Solcellen skaber strøm
Den negativt ladede elektron kan nu vandre til den ene elektrode kaldet anoden, mens det positive “hul” vandrer til den anden elektrode, katoden. Det skaber en spændingsforskel mellem elektroderne, der kan tappes som strøm.
Effektiviteten i de organiske solceller afhænger af, hvor godt donor- og acceptor-materialerne fungerer. En konstant udvikling af materialerne har ført til, at de organiske solcellers effektivitet er steget. Hvor de i 2012 udnyttede 12 procent af sollyset, var tallet 19,3 procent i 2022.
Fremskridtene har nu trukket de organiske solceller ud af laboratorierne og ind i fabrikshallerne hos de første kommercielle producenter.
Helt i front ligger det tyske firma Heliatek, som vha. rulle-til-rulle-metoden producerer to millioner m2 solcellefolie om året.
Folien skal først og fremmest bruges på tage og facader i byer, og allerede nu er den monteret på over 30 bygninger rundtom i verden. Men den kan også udnyttes på mindre overflader som busstoppesteder, biler og tog.
Den to millimeter tynde folie vejer kun 2 kg pr. m2 og er forsynet med lim på bagsiden, så den er let at rulle ud på enhver overflade.
Den helt store fordel ved Heliateks organiske solcellefolie er, at den stort set ikke vejer noget og kan monteres på alle overflader.
Ifølge Heliateks administrerende direktør, Guido van Tartwijk, har firmaet gennem syv år forbedret effektiviteten med ca. en procent om året.
“I vores massefremstillede produkt har vi nu en effektivitet på 8,5 procent, og udviklingen er ikke stoppet. Tværtimod ser vi foran os en åben vej til at drive effektiviteten op mod 20 procent,” forklarer han til Illustreret Videnskab.
I Breña i Spanien tester firmaet teknologien på et vindmølletårn. 221 m2 folie er rullet ud på tårnet, hvilket giver en kapacitet på knap ti kilowatt. Fordelen ved placeringen er, at vindmøllen i forvejen er koblet til elnettet, så der skal ikke trækkes ekstra kabler til solcellerne.
I Breña i Spanien tester Heliatek den organiske solcellefilm på en vindmølle. På den måde behøves der ikke trækkes nye strømkabler, når solcellerne monteres på en eksisterende elforsyning.
Efter bare seks måneder har folien produceret mere energi, end der er brugt til at fremstille den. I solrige egne sker det allerede efter to måneder, så her kan folien tjene sig hjem over hundrede gange i løbet af sin levetid på 20 år.
Samtidig er produktionen af solcellerne helt fri for sjældne metaller og giftige stoffer.
Solceller bliver usynlige
Et særligt område, hvor de organiske solceller vil gøre en stor forskel, er i vores vinduer.
Umiddelbart virker det paradoksalt at indbygge solceller i vinduer, men forskere fra Michigan State University i USA har udviklet organiske solceller, som kun absorberer det infrarøde og ultraviolette lys, vi ikke kan se, og lader det synlige lys slippe igennem.
Et vindue beklædt med de usynlige solceller er derfor lige så gennemsigtigt som et normalt vindue.
Forskeren Richard Lunt har udviklet usynlige solceller, som absorberer det infrarøde og ultraviolette lys i solens stråler, men lader det synlige lys slippe igennem.
Materialeforskeren Richard Lunt har stået i spidsen for udviklingen og er medstifter af firmaet Ubiquitous Energy, som har sat de gennemsigtige celler i produktion. De testes nu i vinduer på en håndfuld bygninger rundtom i verden.
Firmaet har i laboratoriet fået effektiviteten på cellerne op på ti procent, men Richard Lunt er overbevist om, at den bliver endnu bedre.
“Den teoretiske grænse for et enkelt lag af solcellerne er på 20,5 procent ved kun at høste de usynlige bølgelængder i lyset. Og ved at kombinere flere lag i cellerne kan den øges til over 35,” forklarer han til Illustreret Videnskab.
Lunt forventer, at de usynlige solceller først vil få deres gennembrud i vinduer på store bygninger, men at andre anvendelser vil følge efter inden for få år.
De gennemsigtige celler kan fx bruges i drivhuse og bilruder, ligesom det er oplagt at indbygge dem i mobiltelefonens skærm. På den måde kan du lade din mobil op direkte med Solens fusionsenergi, helt uden om elnettet.