Vi trenger mer solkraft. Det krever raskere utbygging og mer effektiv teknologi. Hvordan får vi det til? Vi spør forsker Kristin Bergum.
Solcellepaneler installeres på et flytende solkraftanlegg i Haltern i Tyskland. Flytende solcelleanlegg er attraktive blant annet fordi de ikke bruker opp verdifullt landareal, samtidig som de kan redusere fordampingen av vannet i vannreservoar. Er vannet et kraftmagasin, er det også gjerne godt utbygget kraftnett i nærheten. Foto: NTB/AP Photo/Martin Meissner
<2°C:– Først av alt: Hva er solenergi og hvordan kan vi utnytte den?
Kristin Bergum: – Solenergi er energi som solen avgir gjennom stråling. Når vi omdanner denne energien til elektrisitet, snakker vi om solkraft. I dag skjer dette i hovedsak på to måter: Enten indirekte gjennom varmekraftverk som baserer seg på solvarme, eller direkte gjennom det vi kaller solceller. Jeg jobber selv med solcelleteknologi.
– Da holder vi oss til solceller. Hvordan virker de?
– En solstråle som treffer en solcelle, vil slå løs et elektron fra et atom inne i solcellen, så lenge solstrålen har nok energi. Når elektronet frigjøres fra atomet, kan det fanges opp av et elektrisk felt og ledes vekk fra solcellen. En strøm av slike elektroner blir ganske enkelt det vi kaller elektrisk strøm. Mye forskning på solceller i dag handler om å gjøre solcellene så effektive som mulig, slik at vi kan få ledet så mange av disse elektronene som mulig ut av solcellen. I tillegg forskes det på konsepter for å utnytte mer av energien i solstrålene, og på å finne materialer som er så bærekraftige og så billige som mulig.
– Hvilke materialer brukes i dag?
– Silisiumbaserte solceller har 90-95 prosent av markedet. Det er naturlig nok også disse det er forsket mest på. De beste av disse solcellene begynner å nærme seg det som kalles teoretisk maksutnyttelse. For silisiumbaserte celler ligger det på litt over 29 prosent av energien i solstrålene. Mer av energien i sola er det altså ikke mulig å hente ut med disse cellene. Standard kommersielle solcellemoduler utnytter i dag rundt 22 prosent av solenergien, mens de beste solcellene bikker 26 prosent. Her snakker vi altså i beste fall om at forskningen kan bidra med små, inkrementelle fremskritt som kan øke utnyttingsgraden med noen få prosentpoeng.
– Hvordan kan det gjøres?
– Mye handler om å hindre at elektronet som er frigjort av sollyset, fanges av et atom med ledig plass til et elektron. At elektronene fanges opp igjen kan for eksempel skyldes urenheter eller defekter i solcellen. Det kan også skje i overgangene mellom forskjellige lag i solcellen. Blir elektronet fanget, kan det ikke bidra til å lage strøm, og energien går til spille.
Legger solceller oppå hverandre
– Men det finnes mer revolusjonerende innfallsvinkler også? I 2018 fikk du midler fra Forskningsrådets program for unge forskertalenter til å forske på noe som heter tandemceller. Hva er det?
– Enkelt forklart legges to solceller oppå hverandre. Da kan det utnyttes at sollys i ulike deler av det kontinuerlige fargespekteret har ulikt energiinnhold. Infrarødt og rødt lys har for eksempel mindre energi enn den blå delen av lyset. Den nederste solcellen kan utnytte en stor andel av energien i den røde delen av lyset, mens mye av energien i den blå delen av lyset går tapt. Ved å legge en ny solcelle på toppen, som utnytter energien i den blå delen av sollyset bedre, samtidig som den slipper det røde lyset igjennom, kan den potensielle effektiviteten økes til 42-43 prosent. Det tror jeg vi kan kalle en radikal forbedring.
Tandemceller har også en annen fordel: Når mer av energien i det blå lyset utnyttes, blir ikke solcellene så varme. Det er bra, for jo varmere solcellene blir, jo mindre effektive er de. Varmen fører også til økt slitasje. Solceller som varmes mindre opp, varer lenger.
– Hvilke materialer bruker du for å fange opp energien i det blå lyset?
– I mitt prosjekt «Nye materialer for tandemsolceller» har vi sett på materialsystemet sinkoksynitrid – en blanding av sink, oksygen og nitrogen. Ved å endre forholdet mellom oksygen og nitrogen kan vi styre hvilken del av sollyset vi tar opp, og hvilken del vi slipper gjennom, slik at vi kan styre det mot det optimale. I tillegg vil de elektriske egenskapene endre seg når man endrer materialet på nano-nivå. Her er det mye eksperimentelt arbeid for å finne ut hvordan og hvorfor egenskapene forandrer seg.
Kan oppskaleres raskt
– Hvor raskt kan tandemcellene bli utnyttet i stor skala?
– De tandemsolcellene som har kommet lengst på teknologisiden, er basert på krystallstrukturer som heter perovskitter. Det har likevel vist seg å være utfordrende å komme til industriell produksjon av disse. Oppstart av test-produksjonslinjer er utsatt gang på gang de siste fem årene.
Det er også flere utfordringer knyttet til perovskittene – hovedsakelig stabilitet og at de inneholder bly, som vi vil unngå. Det jobbes hardt både med å øke levetiden til solcellene og med å erstatte bly med andre materialer. En silisiumsolcelle lever jo gjerne over 30 år, så de vil være effektive lenge! Tandemsolceller vil nok fremdeles være et nisjeprodukt en del år fremover, og vil først tas i bruk der solcellene er en liten del av kostnaden. Kanskje vil de ha noen prosent av markedet i 2030? Nye løsninger vil som regel være mer kostbare i en overgangsfase. Vi snakker nok om gradvis vekst før de tar over.
– Men dere jobber primært med andre materialer enn perovskitter?
– De materialene vi jobber med, er nok mer i startgropa. Det vil kreve en god del forskning og utvikling for å komme til samme teknologinivå. Når det er sagt, prøver vi å unngå en del av utfordringene med perovskitter ved å stille «inngangskrav» til materialene vi bruker: De skal være bærekraftige, billige og ikke giftige. De må også kunne lages ved å bruke lett oppskalerbare metoder som enkelt kan inngå i eksisterende industriell produksjon. Forhåpentligvis vil dette gjøre det enklere å komme frem til produksjon i stor skala.
– Er det andre måter effektiviteten i solcellene kan forbedres på?
– En potensiell forbedring er å endre litt på sollyset før det kommer inn i selve solcellen. Man kan for eksempel tenke seg at en UV-solstråle, som har veldig høyt energiinnhold, splittes i to solstråler med lavere energinivå. Da kan én enkelt solstråle sparke løs to elektroner. Dette forskes det også på ved Universitetet i Oslo. Denne splittingen kan skje i glasset som ligger over solcellene.
Solkraft har stort potensial i Norge
– Ifølge Det internasjonale energibyrået (IEA) kommer installert solkraft til å passere kullkraft og bli den største elektrisitetskilden globalt allerede i 2027. Her på berget snakker vi likevel mest om vann- og vindkraft. Vil solkraft bli viktig i Norge?
– Det tror jeg absolutt. Det er definitivt god plass til solkraft i energimiksen i Norge. Vi må installere mye ny kraft for å unngå kraftunderskudd i fremtiden, og en god del av dette kan være solkraft. Det er noen som tror at vi har for lite sol i Norge, men forholdene ligger faktisk ganske godt til rette for utnyttelse av solenergi i store deler av landet.
Noe som har gitt svært gode resultater i Norge, der sola står lavere på himmelen enn i de fleste andre land, er vertikale solceller. Selv om de produserer mindre om sommeren enn takmonterte solceller gjør, vil de kunne produsere mer om vinteren, når vi trenger kraften mest. Det skyldes både den lavere vinkelen på sola om vinteren, refleksjonen fra snøen og at vertikale solceller ikke blir dekket av snø. Ellers har Norge en annen fordel om vinteren i og med at solcellene er mer effektive når det er kaldt.
– Noen kvir seg kanskje mot å kle husene sine i solceller fordi de synes det er stygt. Går det an å gjøre noe med det?
– Absolutt. Solceller kommer allerede i dag i alle mulige former og farger, men de blir både dyrere og mindre effektive, så de er mindre brukt og dermed lite kjent. Svarte solceller er mest effektivt, men de kan oppleves dominerende om de skal være på hele fasaden, og passer kanskje ikke inn i vanlige boligstrøk.
På senteret der jeg jobber, har vi sett på strategier for å integrere solceller i byggfasader. Vi har jobbet både med pikselering – blanding av mørke solceller med andre, lyse elementer – og med fargede solceller. Vi har også sett på hvordan man kan lage solceller med mindre effektivitetstap enn dagens standard fargede solceller. Vi har til og med koblet fargene på solcellene opp mot fargepaletten til Trondheim by, slik at det kan integreres mer harmonisk inn med omgivelsene.
– Hva med andre former for «sambruk» av areal?
– Mye innovasjon innen solceller skjer innenfor sambruk – det kan være «agri-PV», der en kan bruke solceller i landbruksnæringen. Et eksempel på dette kan være solceller som brukes til å delvis skyggelegge planter som egentlig trives bedre i litt skygge. Da øker planteproduksjon og det produseres strøm i tillegg. Et annet eksempel på dette er flytende sol – som rett og slett er solceller lagt på vann. Solceller kan legges på vannreservoar som brukes til vannkraft. Det reduserer fordampingen av vannet, og det finnes allerede et godt utbygget nett solstrømmen kan sendes ut på.
Overskuddssol kan fylle vannmagasiner
– Er det andre deler av forskningsfronten vi ikke har vært innom?
– Det er det så definitivt. Å få til høyeffektive solceller, som jeg jobber med, er bare én del av regnestykket. God utnyttelse av solenergi handler også om å bygge gode systemer rundt den solkraften som solcellene produserer. Hvordan energimiksen ideelt sett bør bygges ut kan variere fra land til land. Det nytter heller ikke å hive opp masse solcellepaneler hvor som helst uten et godt strømnett.
Lagring av overskuddskraft blir også viktig ved større mengder uregulerbar kraftproduksjon. I Norge kan det tenkes at vannmagasiner kan brukes i mye større grad som «batterier» for overskuddskraft. Da kan solkraft brukes til å pumpe vann opp igjen i magasinene, slik at vi har mer vannkraft å bruke på dager da solen ikke skinner og vinden ikke blåser.
– Bør staten ta grep for å få fortgang på en satsing på solkraft i Norge?
– Ja, jeg vil gjerne se at det kommer på plass enkle, fornuftige reguleringer og støtteordninger som vil stimulere utbygging der en har ukontroversielle areal som kan lett dekkes i solceller. Jeg tenker da for eksempel på tak på nærings- og industribygg.
Ellers mener jeg at det vil være fornuftig å få en politisk avklaring på hvor solceller kan og bør plasseres, og hvor de eventuelt ikkebør plasseres, slik at vi slipper den store motstanden vi har sett mot vindturbiner. All energiutnyttelse i stor skala krever plass, det gjelder også for solceller, selv om de kanskje ikke er like synlige fra avstand som vindturbiner er.
– Når vi øker produksjonen av solceller, skaper vi samtidig et fremtidig avfallsproblem. Spesielt er det kanskje bekymring rundt bruken av tungmetaller. Dere forsker bl.a. på å finne mer bærekraftige materialer. Er det noen fremskritt der? Og eventuelt i gjenvinningsteknologien?
– Dette kommer til å få større fokus fremover, men det kommer til å ta tid før store mengder må resirkuleres. Silisiumbaserte solceller varer gjerne i 30 år, og er da som regel bare blitt mindre effektive, slik at gjenbruk kan vurderes. En solcellemodul består i all hovedsak av ukontroversielle bestanddeler som også resirkuleres i dag, som glass, aluminium, plast og sølv. Produksjon av solcellesilisium er ganske energiintensivt, så å kunne få resirkulert gamle solceller i produksjonen av nye, hadde vært flott.
Ellers tror jeg det brukes en liten mengde bly for å lodde kontakter i solcellene, og det må selvsagt håndteres forsvarlig. Om perovskitt-solcellene kommer i kommersiell produksjon snart, kommer de antagelig til å være blybaserte. Så her må en virkelig sørge for gode systemer for håndtering av avfall. Mye av tanken bak vårt arbeid er å unngå disse problemene i utgangspunktet, ved kun å benytte materialer som hverken er giftige eller kontroversielle.
