Tillverkning av tunnfilmssolceller är känslig. Minsta dammkorn kan förstöra skikten.
Renrummet på Ångströmlaboratoriet omgärdas därför av strikta regler. Varje besökare måste klä sig i helkroppsoverall med huva och skorna ska täckas av skoskydd.
Vakuumpumparna mullrar och alstrar värme. Den äldre vakuumkammare som professor Marika Edoff använder i dag ger ifrån sig regelbundet dunkande ljud som påminner om hjärtslag.
Här tillverkas tunnfilmssolceller som kallas CIGS, från engelskans ord för koppar, indium, gallium och selen. Det är en solcellstyp som Uppsalaforskare länge har experimenterat med. Två gånger, både 2004 och 2014, har Ångströmlaboratoriet slagit världsrekordet i verkningsgrad för CIGS. Forskningsresultat härifrån har också kommersialiserats i det avknoppade företaget Solibro.
Läs mer:
Nu har Marika Edoff siktet inställt på att Ångströmlaboratoriet än en gång ska bli bäst i världen. Hennes forskargrupp deltar i EU-projektet Arcigs som samlar 13 parter från akademi och näringsliv från fem olika länder. Projektet har beviljats 4,5 miljoner euro på tre år och ska pågå fram till 2019.
Målet är att nå en verkningsgrad på 23 procent med en CIGS-solcell. Världsrekordet ligger i dagsläget på 22,6 procent.
Uppsalaforskarnas CIGS ligger i dagsläget på 21 procent, så Marika Edoff är ganska säker på att de kommer att lyckas med 23 procent. Men det är inte säkert att det är ett världsrekord då. Utvecklingen går blixtsnabbt.
– Innan vi är framme tror jag att någon annan kommer att ha nått över 23 procent. Det är så många som håller på med CIGS och har gjort det länge, säger hon.
Gruppen ska försöka nå målet genom att göra det ljusabsorberande CIGS-skiktet mycket tunnare. Det brukar vara 1,5 till 2 mikrometer tjockt, men forskarna vill få ned tjockleken till ungefär en fjärdedel, det vill säga 500 nanometer.
Läs mer:
Poängen med ett tunnare skikt är att solcellen skulle gå att tillverka både fortare och billigare. Nackdelen är att allt ljus inte skulle hinna absorberas. Därför försöker forskarna få ljuset att reflekteras tillbaka upp i skiktet och koncentreras.
Planen är att komplettera bottenskiktet av molybden, som behövs för att leda strömmen vidare, med exempelvis kombinationer av metaller och aluminiumoxid. Men för att elektronerna ändå ska nå molybdenskiktet måste det reflekterande skiktet ha många pyttesmå hål.
– Men det är en utmaning att göra de små hålen på ett sätt som är billigt och attraherar industrin, säger Marika Edoff.
EU-projektet är dock inte det enda där solcellsforskarna i Uppsala siktar på att slå världsrekord i verkningsgrad. Det pågår också ett arbete för att bygga en så kallad tandemsolcell, där CIGS-solcellen läggs under en perovskitsolcell.
Perovskit är en solcellstyp som än så länge befinner sig på experimentstadiet. Men den har utvecklats enormt fort på senare tid. På fem år har verkningsgraden ökat med cirka 20 procentenheter.
Läs mer:
Den snabba utvecklingen beror till stor del på att det är enkelt och billigt att tillverka små perovskitsolceller. Något renrum med strikta krav på städning, luftfilter och skyddskläder behövs inte.
Gäststudenten Nan Kyi Kyi Thein från Burma visar i kemilabbet hur det går till att tillverka perovskitsolceller. Hon arbetar i en så kallad glove box där luftmiljön kontrolleras.
På en liten glasbit lägger hon några droppar av den vätska som ska bilda perovskit-skiktet. Glasbiten snurras runt i hög hastighet så att vätskan sprids jämnt, sedan placeras biten på en värmeplatta. Efter några sekunder sprider sig en svart hinna över glaset. Nu har jonerna i vätskan bildat den kristallstruktur som kallas perovskit.
-Perovskit har väldigt bra egenskaper för solceller. Det absorberar ljuset bra, vilket gör att man kan ha hundra gånger tunnare skikt än i kiselsolceller. Dessutom leder det elektroner och positiva laddningar på ett bra sätt, samtidigt som det inte är känsligt för defekter, säger Gerrit Boschloo, lektor i kemi och perovskitforskare.
Världsrekordet i verkningsgrad för en perovskitsolcell innehas av Sydkorea och ligger på 22,1 procent. Här på Ångströmlaboratoriet är rekordet 20 procent på en 0,2 kvadratcentimeter stor solcell.
– Det är ju jättehögt. Om man får den stabil så är det hur bra som helst, säger Gerrit Boschloo.
Nackdelen med perovskitsolceller är att de är extremt känsliga för vatten. Vanlig luftfuktighet kan försämra materialets kapacitet inom loppet av några minuter.
Genom att bygga ihop en perovskitsolcell med en CIGS kan resultatet, den så kallade tandemsolcellen, nå högre verkningsgrad än vad de båda solcellerna kan få på egen hand. Tillsammans kan de absorbera mer ljus, eftersom de kompletterar varandra våglängdsmässigt.
I dagsläget ligger världsrekordet för en sådan tandemsolcell på 20 procent.
– Teoretiskt sett kan en tandemsolcell ha 44 procents verkningsgrad. Så minst 30 procent borde vi kunna nå, säger Marika Edoff.
Det första steget i tandemprojektet blir att få den översta solcellen, perovskiten, att bli genomskinlig så att den blockerar så lite som möjligt av solinstrålningen för den undre CIGS-solcellen. Om ungefär ett år kan en första liten prototyp vara färdig att testa.
