Tandem på taket

Dette innlegget sto på trykk i Dagens Næringslivs teknologispalte 5. mai 2017. Det kan også leses på DN+, for dem som har det.

Skrevet av:

Trygve Mongstad, forsker ved Institutt for energiteknikk
Ørnulf Nordseth, forsker ved Institutt for energiteknikk

I dag relaterer vi ordet tandem til en lang og sjarmerende upraktisk sykkel – men i fremtiden kommer tandem til å være noe vi har på taket: Solceller.

Effektiviteten, eller virkningsgraden, til solceller er en av de mest avgjørende faktorene for konkurransedyktigheten til solenergi. De fleste av dagens solceller er laget av silisium. Silisiumbaserte solcellemoduler konverterer i gjennomsnitt 17 prosent av sollyset om til elektrisk strøm. De mest effektive modulene som er på markedet ligger på rundt 22 prosent, og det japanske selskapet Kaneka rapporterte å ha laget en silisium-solcelle med effektivitet på over 26,3 prosent i september i fjor.

Monokrystallinsk silisium er et fantastisk materiale, det kan lages med en renhet og en krystallinsk perfeksjon som ikke blir matchet av noe annet som vi mennesker kan lage i industriell skala. Likevel har materialet sine begrensinger. Den teoretiske maksimale effektiviteten til silisiumsolceller ligger på 29 prosent, så teknologien er nå nær grensen for hva som er mulig i industriell produksjon.

Men det finnes en mulighet for å lage enda mer effektive solceller – tandem. Med tandemsolceller er det mulig å gå forbi den teoretiske grensen, og det er derfor knyttet stadig større forventninger til denne teknologien. Rent teknisk består en tandemsolcelle av to eller flere individuelle solceller oppå hverandre. De er laget av forskjellige materialer, og hver solcelle tar opp forskjellige deler av fargespekteret i lyset. Ved i tillegg å konsentrere sollyset ved hjelp av en linse eller et speil er det demonstrert hele 46 prosent effektivitet. Man kan ikke sette opp linser og speil på bygninger fordi de trenger å snu seg etter sola, så denne teknologien er kun aktuell i bakkemonterte solparker i områder med mye direkte sollys.

Ved å kombinere silisium med et annet materiale kan det lages en tandemsolcelle som er relativt billig, effektiv og ikke trenger konsentrasjon av sollyset. På forskningskonferansen SiliconPV i Freiburg i Tyskland i april ble flere ulike løsninger for dette diskutert, og det ble vist at det er mulig å komme opp i over 30 prosent effektivitet med denne teknologien.

Utfordringen blir nå å utvikle materialer og en prosess som muliggjør høy effektivitet med tilstrekkelig lav kostnad. Én mulighet som har vært demonstrert er å kombinere silisium med perovskitt-solceller. Perovskitt-solceller er en lovende teknologi med potensiale for lave produksjonskostnader, som ikke er på markedet enda. Statoil gjorde i desember 2016 sin første investering i solcelleteknologi da de investerte i Oxford Photovoltaics, et selskap som utvikler nettopp denne teknologien. En annen mulighet er å bruke kobberoksid sammen med silisium, en løsning som nå forskes på av Institutt for energiteknikk i samarbeid med Universitetet i Oslo og samarbeidspartnere i Romania.

Bilde: I solcellelaboratoriet på IFE forsker vi på prosesser tilpasset silisiumbaserte tandemsolceller. Foto: IFE/Mick Tully, Image Commmunication. 

 

På kort sikt er det andre materialer enn perovskitt og kobberoksid som er mer realistiske for bruk i tandemsolceller. Forskere fra Fraunhofer-instituttet i Tyskland viste tidligere i år en effektivitet på 31,3 prosent i en silisium/galliumarsenid/galliumindiumfosfat-solcelle. Og det kan være snakk om ganske kort tid før denne teknologien er forventet på markedet. Ifølge det internasjonale teknologiveikartet for solceller (ITRPV, april 2017) forventes det at silisiumbaserte tandemsolceller settes i masseproduksjon fra rundt 2020.  

Selv om solceller nå er blitt en moden teknologi som leverer strøm til under markedspris i flere deler av verden, er det altså potensiale for forbedringer i effektiviteten som gir nesten dobbelt så mye strøm fra samme areal. Om ti år er derfor kanskje ikke tandem et ord vi forbinder med sykler, men derimot med takplatene og fasadene på de nyeste og mest energieffektive bygningene.

European projects relevant for silicon anodes in Li-ion batteries

A list of current European projects working on silicon-based anodes for Li-ion batteries. Compiled 24.02.2017. The source of this information is presentations given at the “European workshop on nanotechnologies and advanced materials for batteries” organized by Emiri, Umicore and CEA in Brussels 23-24 Feb 2017.

MARS-EV: Materials for Ageing Resistant lithium ion energy Storage for the Electric Vehicle

Coordinator: CIDETEC, Spain
Budget: 9 million EUR
Period: 2015-2017

The project develops all aspects of the Li-ion battery, intending to bring today's commercial Li-ion batteries one step further. High capacity anodes with a capacity of 1000 mAh/g over 1000 cycles is the goal. Silicon-carbon composites with a capacity of 600 mAh/g over 300 cycles have been demonstrated by the project partner Tel Aviv University, using multi-walled carbon nanotubes composites with silicon nanoparticles. At Imperial College London they have also developed a method for 3D imaging of silicon based electrodes using electron microscopy.

SPICY: Silicon and polyanionic chemistries and architectures of Li-ion cell for high energy battery

Coordinator: CEA, France

Budget: 7 million EUR

Period: 2015-2018

The project develops all aspects of the Li-ion battery, intending to bring today's commercial Li-ion batteries one step further. Several partners develop silicon-based anode materials: Laser-baser silicon-carbon core-shell materials by laser pyrolysis, nanostructured silicon and silicon-carbon alloys by plasma reactors. Very little information is available on the web page.

SINTBAT: Silicon based materials and new processing technologies for improved lithium-ion batteries

Coordinator: Varta Microbattery

Budget: 10 million EUR

Period: 2016-2020

This project promises us batteries with lower cost and life of 20-25 years. With 10.000 cycles as a goal, we are looking at batteries for electricity grid integration. The project aims to better understand the behaviour of silicon based anode by using advanced characterization methods as small angle neutron scattering and small and wide angle x-ray scattering. 

BACCARA: Battery and superCapacitor ChARActerization and testing

No web page.

Coordinator: CEA, France

Budget: 4 million EUR

Period: 2013-2016

Inspired by the problems of moving from half cell testing to full cells (realistic): Materials that deliver up to 300 cycles at very high capacity in half cells, break down after only about 10 cycles in full cells with realistic cathodes. The project has developed advanced characterization tools (NMR, FIB-TOF-SIMS, TEM-EELS, XPS, in-operando FTIR/Raman), and specialized tools as special cells and containers to avoid contamination of samples. The conclusion of the project regarding the failure of silicon materials is published in Nano Letters.

Figure: The failure mechanism of silicon anode materials according to the BACCARA project.

SIRIUS: Silicon RIUS (?)

No web page.

Coordinator: Nanomakers, France
Budget: 1.6 million EUR
Period: 2017-2019

This project aims to develop the second generation of silicon-carbon core-shell nanoparticles produced by laser pyrolysis by the French company Nanomakers. The project is supported by the EU through the industry organization EIT Rawmaterials. The project aims to increase the stability of silicon and to adapt the other components of the Li-ion battery to the silicon-based anode. Little information is available from Nanomakers about the project, but a recent paper describes a pilot reactor based on a similar principle of laser pyrolysis.

Silane gas safety

Silane accumulated below the bottle cap on silane bottles can cause a "popper" when removing the bottle cap. Always take care, use PPE including fire-proof gloves and closthes, and hearing protection when handling silane gas bottles. Photo: Dow Corning.

Our work on new ways to produce high-value silicon products at IFE is dependent on the gas monosilane. Monosilane, which we normally just call silane, is a gas consisting of molecules of one silicon atom and four hydrogen atoms. It is easy to purify and easily converts back to solid silicon, releasing its hydrogen atoms as gas. Because of this it is heavily used as an intermediate step in silicon purification, and in production of electronics components as e.g. flat screen TVs and advanced integrated circuits.

One of the main issues with silane is safety. The gas holds a lot of chemical energy and reacts violently with air if released through a leak, or if any other mistake is done. Therefore, focus on safe operation and the right maintenance procedures are crucial.

Some facts regarding silane safety:

• There have been several fatal silane incidents since the use of silane started in the 1960’s and 1970’s.
• Silane is pyrophoric: It can catch fire by itself when released to air (autoignition).
• Pyrophoric gases are somehow less dangerous than gases which are only flammable, because a fire generally gauses less damage than an explosion.
• Even though pyrophoric, silane will not always ignite when released. Especially when released at high pressure, it is often observed that there is no auto-ignition.
• If auto-ignition does not take place when released, often the gas actually auto-ignites when the flow from the high pressure reservoir is shut off.
• The most dangerous conditions occur under delayed ignition, especially if the gas release is confined or semi-confined, so that an explosive gas mixture can build up.
• If all precautions are taken, the chances of a serious incident are, luckily, minimal.
• It is not the amount of silane that determines the risk, any amount of silane represents a potential explosion and fire hazard.
• Another risk with silane, especially with using gases with two or more silicon atoms (disilane and higher order silanes) is the formation of “popping gels”. These can form in the exhaust handling systems, in the vacuum pumps or gas abatement systems, and are highly reactive solids that might “pop” or explode very violently upon any physical agitation.
• All handling of silane gas systems and silane based reactor systems should take place using proper personal protection equipment (PPE).

If you are interested in learning more about silane gas safety, do not hesitate to contact our group at IFE. I also recommend Eugene Ngai from Chemically Speaking, who has been working with silane safety and emergency response for over more than 40 years. See also EIGA's Code of Practice for Silane.