Image
Torunn Kjeldstads ansikt speiles i silisium på et skrivebord.

Blankt materiale: Torunn Kjeldstad kan ta selfie i silisium. Foto: Benjamin A. Ward

En tilfeldighet på lab'en kan bli til bedre solceller

Hull i nanostørrelse kan være akkurat hva verden trenger.

Solceller er en nøkkelteknologi når verden skal slutte med fossil energi. De aller fleste solcellene i verden er laget av silisium, og de omdanner 15-20 prosent av sollyset til elektrisitet.

Selv om solceller i mange tilfeller er den billigste energiformen du får tak i, er det fremdeles mye å vinne på å gjøre dem enda bedre. En oppdagelse på Sintefs laboratorium i Oslo kan øke energieffektiviteten ytterligere.

Det var egentlig ikke solceller eller noen andre spesielle anvendelser forskerne hadde i tankene da de satte igang eksperimentet denne dagen.

Sintefs forskere har som oftest en klar formening om hva de ser etter på lab'en, men en liten del av tida får de bruke til egen forskning.


– Vi skulle se om vi kunne lage et materiale av silisium og aluminium, forteller Sintef-forsker Annett Thøgersen.

– De to materialene er billige, de er ikke giftige, og industrien er godt kjent med dem, så vi tenkte det var verdt å prøve hva som skjer hvis vi blander de to, sier hun.

Som olje i vann 

Silisium og aluminium blandes ikke så lett. Det er litt som å blande olje med vann, eller med eddik – som når du lager majones. 

På lab'en bruker de ikke blender, men en teknikk som kalles sputtering, en vanlig metode for å lage tynne filmer eller belegg. 

– Vi forventet å få aluminium og silisium jevnt blandet eller kanskje lagdelt, sier Thøgersen. – Men da jeg skulle se på materialet i elektronmikroskopet, fikk jeg en skikkelig overraskelse. Det var helt merkelig, men aluminium og silisium hadde organisert seg med aluminium i tynne søyler omgitt av silisium.

Kolonnene er omtrent 5 nanometer i diameter. Til sammenlikning er diameteren til DNA-molekylet 2 nanometer. Når ting blir så små, endrer ofte egenskapene til materialene seg radikalt.

– Hva er det vi har laget?

– ”Hva er det vi har laget her?” tenkte jeg. Det er kjempespennende! sier Annett Thøgersen.

Solceller, batterier, sensorer og membraner er blant anvendelsene forkserne ser for seg. Her er Torunn Kjeldstad på MiNaLab i Oslo. Foto: Benjamin A. Ward

Forskerne ser for seg mange mulige anvendelser, fra å bruke materialet på baksiden av solceller for å spre lys tilbake, til sensorer i elektronikk og membraner til batterier eller termoelektriske elementer.

Hvis en modellerer materialet med en datamaskin, viser resultatene at vi øker sjansen for at lyset som treffer en solcelle, blir tatt opp og brukes til strøm. 

– Men først må vi kjenne materialet og kunne kontrollere alle prosessene, sier Thøgersen.

Til det fikk hun hjelp av doktorgradsstudent Torunn Kjeldstad, gjennom prosjektet NanoSol, finansiert av Forskningsrådet.

Vi trenger enorme mengder solceller

– Silisium er utrolig viktig, bare tenk deg koronatiden uten silisium, sier Torunn Kjeldstad og sikter til at silisium er grunnlaget for all elektronikk. – Hvis vi kan jobbe med silisium på atomnivå kan vi designe materialer med de egenskapene vi ønsker oss.

Kjeldstad har nylig fullført sin doktorgrad i halvlederfysikk ved UiO.

– Jeg har brukt omtrent alle metodene vi har tilgjengelige på nanolab'en, sier Torunn Kjeldstad. Foto: Benjamin A. Ward

Solceller er allerede nå konkurransedyktige i de fleste markeder, hvorfor trenger vi enda mer effektive og billige solceller?

– Vi kommer til å trenge enorme mengder solceller når vi skal gå over til fornybar energi, sier Kjeldstad. – EU alene behøver 8000 kvadratkilometer med solceller for å kutte CO2-utslipp med 90 prosent innen 2050. Når vi vet at det koster mye energi å utvinne silisiumet til solcellene, er det veldig smart å lage dem med mindre materiale.

Silisiumet med aluminiumstråder kan vise seg å være del av løsningen, men først må det nye materialet studeres.

– Jeg har brukt omtrent alle metodene vi har tilgjengelig på nanolab'en i Oslo, sier Kjeldstad.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi: Følg Titan.uio.no på Facebook eller abonner på nyhetsbrevet vårt

Vanskelig å gjenskape flaks

Den første oppgaven var å lage nanotrådene på nytt.

– Det tok vel et år før vi fikk til å lage materialet en gang til, forteller Kjeldstad.

Prosessen med å lage nanotrådene viste seg å være veldig sensitiv for ting som trykk, temperatur og blandingsforholdet mellom aluminium og silisium.

– Vi hadde kjempeflaks første gangen vi fikk nanotråder, mener Thøgersen.

Skal materialet brukes industrielt, bør en også kunne undersøke materialet på en enklere måte enn med et transmisjons-elektronmikroskop, verdens mest avanserte mikroskop.

Kjeldstad utviklet en metode for å sjekke at en har fått nanotråder i materialet uten å bruke avansert utstyr.

Det kan være mulig å bruke materialet med aluminiumstrådene i, men forskerne er også interessert i å se hvordan silisiumet oppfører seg hvis man fjerner aluminiumet og står igjen med hull i nanostørrelse. 

Kjeldstad eksperimenterte med ulike etseteknikker og flere forskjellig syrer for å fjerne aluminiumet.

Silisium med nanohull kan kanskje også brukes som form for å lage nanotråder av andre materialer. Former med så tynne tråder som forskerne i Oslo har laget, finnes det veldig få av.

Å stå på skuldrene til andre studenter

Hva er det viktigste dere har funnet ut, Kjeldstad?

– Jeg vil si vi har gjort det lettere for andre å jobbe videre med materialet. Du vet det man sier om å stå på skuldrene til giganter? Jeg hørte en gang at det er ikke slik lenger, en står på skuldrene til mange, mange doktorgradsstudenter. Nå er jeg en av dem, smiler hun.

– Vi ser hvor lang tid forskning tar når det handler om noe grunnleggende, sier Thøgersen. En må være tålmodig og optimistisk, og ikke minst ha flaks, mener hun.

– Vi har funnet ut masse om nanotrådene, og vi kan mye om etseprosessene for å få fjernet aluminiumet, sier Thøgersen, som holder på med en ny publikasjon og trolig ny søknad om videre forskning på nanotrådene.

Den forskningen blir uten Torunn Kjeldstad, som nå jobber med flytende solcelleanlegg ved IFE – Institutt for energiteknikk.