Nanoteknik ger grön energi

Foto: Hanna Robinell
 
I den tekniska LU-forskning som har bäring på klimatet ingår bland annat
solceller med nanotrådar. De skulle kunna göra sol-el mer konkurrenskraftig och
därmed underlätta omställningen till ett hållbart samhälle.

Effektiva
enkristallina halvledarsolceller, oftast tillverkade av kisel, dominerar
solcellsmarknaden idag, men egentligen skulle man önska sig mycket billigare
tillverkningsmetoder, t.ex. baserat på tunnfilmsteknik, men dessa har tyvärr
oftast begränsad effektivitet.

– Våra forskningsgenombrott gör att
framtiden ser ljus ut, säger Lars Samuelson, fysiker och professor i nanoteknik
och halvledarelektronik vid Lunds Universitet. Det sker i form av tillverkning
av enkristallina nanotrådar med en helt ny, revolutionerande och billig
framställningsmetod och våra samtidigt utvecklade solceller med rekordhög
effektivitet.

Revolutionerade materialteknik – Den stora förändringen
kom genom att vi utvecklade en metod där begreppen vänds upp-och-ner. Medan
traditionella nanotrådar tillverkas genom en epitaxiell nukleation på ett
kristallint ”substrat”, med en katalytisk guldpartikel placerad ovanpå
substratet, så testade vi att nukleera nanotråden direkt från en nano-partikel,
som då kan inducera tillverkningen av halvledarkristallen, medan partikeln
långsamt svävar i en gasfas (aerosolfas) genom en varm ugn.

– Denna lite
galna idé, som vi döpte till Aerotaxi, visade sig resultera i helt ideala
nanotrådar. De visade på unikt höga tillväxthastigheter på typiskt 1µm/sekund,
vilket är 100-1000 gånger snabbare än traditionell kristalltillväxt med epitaxi.
Förutom nyhetsvärdet i denna ”omvända världen”, kunde vi uppskatta att
produktionseffektiviteten med den nya metoden skulle kunna reducera
tillverkningskostnaderna med minst två tiopotenser.

Dessa resultat
publicerades i december 2012 i tidskriften NATURE. Finansieringen av den
fördjupade grundforskningen kring Aerotaxi kommer främst från Knut och Alice
Wallenbergs Stiftelse.

Ökade effektiviteten Solceller tillverkade av
nanotrådar av t.ex. InP eller GaAs, har under de senaste åren demonstrerats med
effektiviteter på mellan 3 och 5 %.

– Detta är inte tillräckligt bra.
Men vi lyckades öka effektiviteten för nanotrådssolceller av InP med en faktor
tre, upp till 13,8 % inom ett FP7 EU-projekt, kallat AMON-RA, där vi ledde en
stor grupp europeiska laboratorier och med Ideon-företaget Sol Voltaics AB som
industriell partner, säger Lars Samuelson.

– Vi utvecklade
Nanoimprintlitografi (NIL) för mönstring av substrat över stora areor och
applicerade teoretiska metoder för att förutsäga ideal design av de individuella
nanotrådarnas pin-dioder liksom nanotrådarnas dimensioner.

Dessa
resultat har just (1 mars 2013) publicerats i tidskriften SCIENCE. Från 1
januari 2013 vidareutvecklas denna forskning med stöd från Energimyndigheten i
ett projekt ”Nanotrådsbaserade solceller för realisering av billig förnybar
energi”.