De första perovskitsolcellerna var då de presenterades av forskare från Toin University i Japan 2009 mycket instabila och hade en verkningsgrad på endast 3,8 procent. Idag, bara tio år senare, har stabiliteten förbättrats avsevärt och perovskitsolcellernas verkningsgrad kan mäta sig med verkningsgraden hos traditionella kiselsolceller, samtidigt som tillverkningskostnaderna är betydligt lägre. Flera företag förbereder sig nu därför för kommersiell produktion av de revolutionerande solcellerna.
Text: Alarik Haglund
Så kallade perovskitmaterial, som har samma kristallstruktur som mineralet perovskit, är attraktiva solcellsmaterial eftersom de är mycket bättre än kisel på att absorbera solljus. Samtidigt är solceller baserade på perovskitmaterial mycket billigare att tillverka än kiselsolceller, eftersom de råmaterial som används är lätta att få tag på till låg kostnad och det till skillnad från vid tillverkning av kiselsolceller inte krävs höga temperaturer. Dessutom kan de också göras väldigt mycket tunnare än kiselsolceller, vilket öppnar en rad möjligheter.
Verkningsgraden ökar
Medan den teoretiska gränsen för hur hög en kiselsolcells verkningsgrad kan bli är omkring 32 procent är det med perovskitsolceller i teorin möjligt att uppnå en verkningsgrad på 66 procent.
Den högsta verkningsgrad som uppnåtts för perovskitsolceller i laboratoriet är idag redan mer än 25 procent och den fortsätter att öka i snabb takt. På samma gång arbetar forskare världen över också med att ta fram nya perovskitmaterial för att förbättra den långsiktiga stabiliteten hos perovskitsolceller, som är känsliga för bland annat fukt, syre, ljus och elektriska fält, och att skapa perovskitsolceller som inte innehåller bly.
För att tekniken ska kunna lämna laboratoriet måste tillverkningsprocessen emellertid skalas upp.
Kommersiell skala
Perovskitsolceller tillverkas genom att kemikalier sprids ut på ett substrat. När dessa kemikalier sedan kristalliseras bildas ett perovskitmaterial.
När perovskitsolceller tillverkas i laboratorieskala sprids kemikalierna oftast ut med hjälp av en metod där substratet roterar med hög hastighet. Denna metod ger den högsta verkningsgraden, men mer än 90 procent av de kemikalier som används går till spillo och metoden lämpar sig bäst för solceller som är mindre än cirka 6,5 kvadratcentimeter stora.
För att möjliggöra tillverkning av perovskitsolceller i kommersiell skala undersöks därför ett flertal andra tillverkningsmetoder som är lättare att skala upp, i form av till exempel bläckstråleutskrift, där små munstycken används för att sprida ut kemikalierna över substratet, och att trycka kemikalierna på substratet med hjälp av en tryckpress med så kallad rulle-till-rulle-teknik, på samma sätt som man trycker bland annat tidningar.
Många tillämpningsområden
Ett av de företag som ligger i startgroparna när det gäller kommersiell produktion av perovskitsolceller är Saule Technologies. Det polska företaget, som grundades 2014, har utvecklat en bläckstrålebaserad tillverkningsprocess, som gör det möjligt att skriva ut perovskitsolceller på substrat av i stort sett vilket material som helst, och i november 2017 visade företaget upp en bläckstråleutskriven solcellsmodul i A4-storlek, som skrivits ut på en ultratunn plastfolie.
Förutom att tillverkningsprocessen är både miljövänlig och ekonomisk påpekar Saule Technologies att den gör det möjligt att tillverka solcellsmoduler som är lätta, böjbara och halvgenomskinliga, samtidigt som de kan användas inomhus och vid dåliga ljusförhållanden. Dessa egenskaper gör att solcellerna med fördel kan användas inom en rad olika tillämpningsområden. Till exempel kan de integreras i fönster, fasader och tak på byggnader på ett estetiskt tilltalande sätt eller i fordon som bilar, båtar och drönare för att förlänga räckvidden. De kan också integreras i uppkopplade enheter i Internet of Things.
För att demonstrera hur deras solcellsmoduler kan integreras i byggnader samarbetar Saule Technologies bland annat med det svenska byggföretaget Skanska och solcellerna har redan integrerats i fasaden på Skanskas kontorsbyggnad i Warszawa.
Pilotanläggning på gång
Saule Technologies rapporterar att de på cellnivå uppnått en verkningsgrad på 17,6 procent för sina bläckstråleutskrivna perovskitsolceller och att utvecklingen av företagets tillverkningsprocess nu har kommit så långt att de kan skriva ut lätta, böjbara och halvgenomskinliga solcellsmoduler med en konsekvent verkningsgrad på 10 procent. Stabiliteten har också förbättrats betydligt och de senaste stabilitetstesterna visar att solcellerna fungerar felfritt i flera år.
- De här resultaten är en fantastisk prestation för vårt förstklassiga, internationella forsknings- och utvecklingsteam som arbetar vid teknologiparken i Wrocław, kommenterar Saule Technologies grundare och tekniska chef Olga Malinkiewicz.
Nästa steg för företaget är att skala upp tillverkningsprocessen med en pilotanläggning för kommersiell produktion av de bläckstråleutskrivna perovskitsolcellerna, som genom att använda ett modulärt system av bläckstråleskrivare kommer att kunna skriva ut solcellsmoduler i valfri form och storlek upp till en kvadratmeter.
Pilotanläggningen planeras att tas i drift redan under fjärde kvartalet 2019 och företaget räknar med att deras första kommersiella solcellsmoduler ska vara tillgängliga från och med nästa år.
Under pilotfasen siktar de enligt Olga Malinkiewicz på en årlig produktionskapacitet på 40 000 kvadratmeter. Någon gång under nästa år planeras produktionskapaciteten sedan att utökas till 200 000 kvadratmeter per år.
Till 2022 är företagets förhoppning att solcellsmudulerna ska kunna säljas för omkring 50 euro per kvadratmeter.
Hög produktionshastighet
Det amerikanska företaget Energy Materials Corporation fokuserar istället på att förverkliga kommersiell produktion av perovskitsolceller med hjälp av en tryckpress med rulle-till-rulle-teknik, vilket innebär att kemikalierna trycks på ett flexibelt substrat medan det rullas från en rulle till en annan.
Genom att använda sig av en snabb tryckteknik av det här slaget kan de uppnå en hög produktionshastighet och produktionen kan dessutom förläggas till en befintlig produktionsanläggning, i form av Kodaks fabrik i Rochester i USA, vilket sänker kostnaderna.
Energy Materials Corporations perovskitsolceller består av fem lager, som de demonstrerat att de kan trycka på samma gång. Med andra ord kan kompletta solcellsmoduler tryckas i ett svep.
För närvarande håller företaget på att skala upp sin tillverkningsprocess och när deras fullskaliga produktionslinje tas i drift uppskattar de att den kommer att kunna trycka solcellsmoduler på rulle med en hastighet av mer än 30 meter per minut och att de årligen kommer att kunna trycka solcellsmoduler med en sammanlagd effekt på 3 gigawatt. Det är än så länge inte klart när den fullskaliga produktionen kommer att vara igång.
Tandemsolceller
En annan möjlig rutt till kommersialisering av perovskitsolceller går via så kallade tandemsolceller. I dessa solceller kombineras perovskitmaterial med till exempel kiselsolceller, som redan tillverkas i stor skala.
Genom att placera en halvgenomskinlig perovskitsolcell, som effektivt omvandlar ljus med kortare våglängder till elektricitet, ovanpå en kiselsolcell, som effektivt omvandlar ljus med längre våglängder till elektricitet, är det möjligt att uppnå en högre verkningsgrad än vad som är möjligt med endast en kiselsolcell, tack vare att en större andel av solljuset kan tas tillvara.
Den teoretiska gränsen för hur hög verkningsgraden hos en perovskit- och kiselbaserad tandemsolcell kan bli är cirka 43 procent och den högsta verkningsgrad som hittills uppnåtts i laboratoriet är 28 procent, vilket åstadkommits av det brittiska företaget Oxford PV.
Utökad produktionskapacitet
Oxford PV:s tandemsolceller, som redan börjat tillverkas vid företagets industriella pilotanläggning i Brandenburg an der Havel i Tyskland, består av en traditionell kiselsolcell, med en kommersiell storlek på 156 gånger 156 millimeter, som med hjälp av vakuumdeponering täcks av en tunn film av perovskitmaterial.
För att utöka produktionskapaciteten vid pilotanläggningen i Tyskland och påskynda planerna på att kommersialisera sina tandemsolceller, som de räknar med kommer att ha en verkningsgrad som skulle kunna överstiga 30 procent, meddelade Oxford PV i augusti 2019 att de beställt den första av två produktionslinjer för kiselsolceller av företaget Meyer Burger. Tillsammans med produktionsutrustning för de ovanpåliggande perovskitsolcellerna, som kommer att vara helt integrerad i produktionslinjerna för kiselsolceller, kommer investeringen att möjliggöra en årlig produktion av perovskit- och kiselbaserade tandemsolceller med en effekt på totalt 250 megawatt. Produktionen förväntas kunna påbörjas i slutet av 2020.
- Med vår första beställning gjord är vi på god väg att bli världens första tillverkare av perovskit- och kiselbaserade tandemsolceller, säger Oxford PV:s verkställande direktör Frank P. Averdung och tillägger att de genom att bygga vidare på Meyer Burgers expertis kan få ut sina tandemsolceller på marknaden snabbare.