I slutet av en av de hetaste somrarna någonsin, när slagsmål om hur man driver hem rasar, förnybar solenergi fortsätter att erbjuda ett alternativ som inte nämnvärt tillför växthusgaser till miljön i utbyte mot belysning och kylning av våra hem. Och det har bara fått ytterligare ett försprång genom materialvetenskap.

I en ny studie publicerad i Energier , forskare har hittat ett sätt att minska produktionskostnaderna för solceller med mer än 10 procent.

"Att förbättra kostnaden per effektenhet på cellnivå kan ha enorma effekter nedströms, " säger Joshua Pearce, professor i materialvetenskap och elektroteknik vid Michigan Tech. Redan, han säger, kostnaderna för solenergi är jämförbara med konventionella former av el och är den snabbast växande energikällan. Denna 10-procentiga minskning borde driva solenergin i framkant ännu snabbare.

Att byta kisel som används i solceller för förnybar energi minskar kostnader

Kisel är det standardljusfångande materialet som används i solceller (PV). Det finns i två huvudformer:perfekta kristaller som kostar mer och ger högre effektivitet och multikristallint kisel som kostar mindre, men ger lägre effektivitet. Med vanlig etsning för att minska reflekterat ljus förlorar båda typerna fortfarande lite ljus, vilket är det som ger de flesta solpaneler sin blå färg.

Forskare visste redan att nanotexturerande kisel med torretsning gör svart kisel (svart-Si) som är mer effektivt för att fånga ljus än vanliga etsbehandlingar. Den har ingen färg eftersom torretsningsprocessen tar en normalt plan kiselyta och "etsar in den i en skog av nanoskala nålar, " säger Pearce. "De där nålarna tar tag i ljuset och låter det inte komma undan. Det är som att se in i ögonen på Darth Vader."

Normalt skulle en så stor yta med många ytdefekter skada den elektriska prestandan, men forskare vid Aalto-universitetet fann att när kislet också behandlas med en lämplig atomlagerbeläggning (ALD), effekterna av ytdefekter mildras.

Typiskt tänkande har varit att kostnaden för svart-Si-celler från torretsning och ALD är för dyra för praktisk användning, speciellt i en bransch där Pearce säger, "marginalerna är extremt snäva. Alla försöker pressa kostnaderna så låga som möjligt."

Dock, resultaten av deras studie chockade till och med Pearce. Medan forskare fann att produktionen av individuella svart-Si passiva sändare bakceller (PERC) var mellan 15,8 och 25,1 procent dyrare än att tillverka konventionella celler, de fann också att effektivitetsvinsterna och möjligheten att gå till det billigare multikristallina kiselutgångsmaterialet vida uppvägde dessa extra kostnader:totalt sett sjönk kostnaden per effektenhet med 10,8 procent.

Framtiden för förnybar energi och solenergiproduktion genom materialvetenskap

Svart är inte bara bättre än blått när det kommer till solpaneler. Förbättringarna kan börja slå ut förnybara energikällors främsta energikonkurrent inom klimatförändringsarenan.

"För de människor som tror att kolteknik kommer att kunna konkurrera med solenergi, de borde veta att kostnaderna för solenergi fortfarande sjunker. De flesta kolföretag är redan, eller nära, i konkurs nu, " säger Pearce. "Det finns inget sätt att kol kommer att kunna konkurrera med solenergi i framtiden."

Han lägger till, "Denna studie pekar på vart framtiden kommer att gå inom PV-tillverkning och vad länder kanske vill göra för att ge sig själva en konkurrensfördel."

Samarbetar över Atlanten för solenergieffektivitet

Pearce avslutade denna studie under sabbatsperioden som en framstående ordförande vid Fulbright vid Aalto-universitetet i Finland. Han arbetade med Hele Savins Electron Physics Group och hade tillgång till deras data om dessa processer. Forskare kunde också få information om tillverkningskostnader från företag, som inte är offentligt, men fick använda för denna studie, tillsammans med publicerad litteratur om solceller.

Även om spotpriset för solceller kan ändras dag för dag – eller till och med per timme – håller resultaten fortfarande. "Det är 10 procents minskning mellan celltyper oavsett antalet den dagen, " säger han. Detta beror på att jämförelserna gjordes på relativa kostnader, inte absoluta kostnader. Det var också därför som godtyckligt fluktuerande tariffer inte togs med i beräkningarna.

Vad är nästa steg för solenergi och förnybar energi

Pearce säger att även om produktionsprocessen fortfarande kan optimeras för att dra ut ytterligare några procentenheter av effektivitet, nästa steg för denna studie är att användas av beslutsfattare för att påskynda solcellstillverkningen. För ett land som Kina, som redan dominerar global PV-tillverkning, "att göra denna relativt lilla förändring är ganska trivialt." Europeiska unionen, som för närvarande gör mycket av tillverkningsutrustningen, bör också "se noga på att skala upp djupreaktiv jonetsning och ALD-verktyg för att möta behoven på den snabbt växande PV-marknaden". Han hoppas att länder som USA, som brukade dominera solfältet, kommer att använda dessa data på policynivå för att ta steget från internationella tillverkare, och investera i att tillverka de nya maskinerna för att tillverka dessa typer av solceller.

"Jag vet inte vilken teknik som kommer att bli den som kommer att dominera solfältet, " han sa, Men "Studien visar den tydliga ekonomiska drivkraften att röra sig i riktning mot torretsad svart kisel PERC som inte fanns där tidigare."

Denna studie genomfördes med Chiara Modanese, Hannu Laine, Toni Pasanen och Hele Savin från Aalto-universitetet i Finland.