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”.