Ett alternativ för att få fler att använda solceller är att göra dem mer attraktiva genom att till exempel erbjuda olika färger att välja mellan. Problemet med färgade solceller är emellertid att verkningsgraden blir lidande. Srinivasan Anand från KTH vill därför utnyttja strukturella färger, genererade med hjälp av fotoniska designer på nanonivå, för att minimera den påverkan som solcellernas färg har på deras verkningsgrad
Text: Alarik Haglund
Srinivasan Anand är professor i tillämpad fysik vid KTH och leder ett projekt som använder sig av så kallade nanofotoniska metoder för att öka verkningsgraden hos färgade solceller. Projektet, som inleddes i februari 2020, finansieras helt och hållet av Energimyndigheten.
- För att göra solceller mer attraktiva måste man försöka göra dem mer multifunktionella, utan att kompromissa för mycket med verkningsgraden, säger Srinivasan Anand. Samtidigt påpekar han att det är viktigt med en lösning som går att tillämpa på olika typer av solcellsteknologier.
Inspiration från naturen
Att använda sig av pigment för att ge solceller färg är enligt Srinivasan Anand inte ett bra alternativ eftersom pigmenten bryts ner med tiden då de utsätts för solljus. Istället framhäver han att man måste hitta en metod som är baserad på strukturella färger.
- Det är ett koncept som hämtar inspiration från naturen. Det finns till exempel många fåglar som inte får sin färg från pigment utan från fjädrarnas struktur, beskriver Srinivasan Anand.
Han förklarar också att den färg vi uppfattar att ett föremål har beror på vilka våglängder av ljus som reflekteras av föremålet och träffar våra ögon. För att en solcell ska uppfattas ha en viss färg måste den därför reflektera solljus av vissa våglängder, medan resten av ljuset absorberas av solcellen för att producera elektricitet.
- Det innebär att vi har önskemål som är i konflikt med varandra. Vi vill att solcellen ska ha en fin färg, men om en del av ljuset reflekteras och träffar våra ögon för att göra solcellen blå, grön, röd eller någon annan färg betyder det samtidigt att andelen fotoner i solljuset som absorberas av solcellen blir mindre. Med andra ord går det inte att undvika att verkningsgraden blir lidande, säger Srinivasan Anand.
Reflekterar färre fotoner
I det projekt som nu påbörjats ska forskarna utveckla och framställa speciella ytbeläggningar för solceller som genererar strukturella färger med hjälp av innovativa fotoniska strukturer på nanonivå.
Srinivasan Anand beskriver att de utgår från titanoxid-baserade material, som från början är helt genomskinliga i den synliga delen av solens spektrum. Genom att skapa unika nanostrukturer i dessa material kan de sedan få dem att reflektera de våglängder av solljuset som ger solcellerna den önskade färgen.
Målsättningen är att minimera antalet fotoner som reflekteras och han förklarar att de kan åstadkomma detta genom att designa strukturerna så att det ljus som reflekteras är begränsat till ett mycket smalt våglängdsområde, samtidigt som det inte reflekteras fler fotoner än vad som är nödvändigt för att man ska kunna se färgen med blotta ögat.
- Det är inte nödvändigt att 100 procent av ljuset i ett visst våglängdsområde reflekteras för att man ska kunna se färgen, påpekar Srinivasan Anand.
Med nanostrukturer av det här slaget är han därför övertygad om att det går att minska den påverkan som färgen har på solcellernas prestanda ganska dramatiskt.
- Det är fortfarande en kompromiss, men färgen är en fantastisk funktion som vi tror kommer att göra att fler människor kommer att köpa solceller, säger Srinivasan Anand.
UV blir synligt ljus
Srinivasan Anand berättar också att de undersöker om samma metod som hjälper dem att minimera förlusterna i prestanda hos färgade solceller även skulle kunna utnyttjas för att blockera UV-ljus.
- UV-ljus bryter med tiden ner solcellernas ytbeläggning så vi skulle vilja absorbera och delvis reflektera UV-ljuset för att undvika nedbrytning av solcellerna på lång sikt, förklarar Srinivasan Anand.
Dessutom tillägger han att de studerar hur man i framtiden skulle kunna använda kvantprickar för att det UV-ljus som absorberas ska kunna skickas vidare in i solcellen i form av synligt ljus, som solcellen kan omvandla till elektricitet.
- Genom att skifta UV-ljus till synligt ljus skulle vi kunna kompensera ytterligare för det ljus som går förlorat på grund av reflektion i färgade solceller. Det betyder att vi kanske till och med skulle kunna ge solceller önskad färg utan att verkningsgraden försämras, samtidigt som de får UV-blockerande egenskaper, säger Srinivasan Anand.
Skalbar tillverkning
Efter omfattande förstudier meddelar Srinivasan Anand att de nu fokuserar på att tillverka nanofotoniska ytbeläggningar i laboratoriet och integrera dem i solceller, för att visa att de fungerar som förväntat. För att tekniken i slutändan ska kunna lanseras på marknaden påpekar han också att det är viktigt att kostnaderna för tillverkningen inte är för höga.
- Den största utmaningen är att hitta en skalbar tillverkningsmetod som kan tillämpas på stora ytor, säger Srinivasan Anand.
För att åstadkomma detta tillägger han att de bland annat samarbetar med det svenska företaget Midsummer AB, som tillverkar CIGS-solceller.
Han understryker emellertid att de vill ta fram en metod som inte är specifik för en viss typ av solcell utan kan användas för alla existerande solcellsteknologier. Han beskriver därför att de satsar på att antingen tillverka ett inkapslingslager, med nanofotoniska strukturer inuti inkapslingsmaterialet, som placeras ovanpå färdiga solceller, eller ett separat lager med nanofotoniska strukturer som placeras mellan solcellerna och inkapslingslagret, vilket i vanliga solceller oftast är gjort av glas.