Resan från att det potentiella solcells-materialet presenterades i teorin till att nu studeras i verkligheten har varit lång. Redan år 1997 presenterade de två spanska forskarna Antonio Martí och Antonio Luque en teoretisk artikel om ett material som kan fånga upp cirka 60 procent av energin i solljuset. Det är mer än dubbelt upp mot vad kisel, som är dominerande i dagens solceller, klarar av.

Mikael Syväjärvi är materialforskare vid Linköpings universitet och medgrundare till Graphensic, som tillverkar och säljer grafen på kiselkarbid. Han föreläser populärvetenskapligt om olika nya material för energi och miljö.  Mikael har även en blogg som tar upp tankar kring grafen från forskning till -industri (grafenbloggen.wordpress.com).

"Nanoteknik och ny material-vetenskap från grafen" är namnet på en föreläsning som Mikael Syväjärvi håller den 27 mars nästa år i Folkuniversitetets lokaler i centrala Stockholm. Föreläsningen sker samarbete med SwedNanoTech (ett nätverk för svensk nanoteknik), är gratis men kräver en föranmälan som kan göras här (länk).

Då, för 16 år sedan, arbetade man mycket med att kombinera flera material som tillsammans kunde fånga upp mer av solljusets energi än bara ett material. De båda männen kände inte varandra. De arbetade på samma forskningsinstitution i Spanien, men inom olika projekt. Antonio Luque studerade kisel och Antonio Martí hade börjat framställa kvantprickar av galliumarsenid.

Slumpmässigt möte gav resultat
Ett toalettbesök blev starten på det vi idag tror kan bli ett stort genombrott: ”the intermediate bandgap solar cell”. De två forskarna började prata och fortsatte diskussionen vid kaffebordet. Det som intresserade männen var hur temperaturen ger energi till elektroner som flyttar sig till högre elektroniska tillstånd i ett material. De frågade sig om den termiska energin vara tillräcklig för att elektronerna skulle kunna bli fria laddnings-bärare genom att dela upp frigörandet i två steg. I så fall skulle elektronerna först gå från det bundna tillståndet till ett högre tillstånd, och sedan vidare till att röra sig helt fritt.

Om teorin skulle fungera skulle man inte behöva lika mycket energi per övergång som när elektronerna frigöras genom en direkt övergång i ett steg – en metod man redan visste inte fungerade med enbart termiskenergi. Marti fick som uppgift att räkna på detta – det visade sig inte gå.

Då ändrade Luque och Martí villkoren. Den extra energin fick tillföras externt, som ljus. Resultatet blev att solljus skulle kunna producera elektroner som fria laddnings-bärare, både genom övergång i ett steg och med två steg. I modellen skulle ljuset alltså samtidigt producera tre elektroner, från tre olika delar av -energin i solljuset. Förutsättningen för detta var att materialet hade ett visst bandgap och tillståndet låg vid en viss nivå i band-gapet, så att det blev tre olika energi-övergångar som optimerades mot solljusets energifördelning. Därmed var modellen, ”the intermediate bandgap solar cell”, född.

Ett material istället för tre

Ett material byggs upp av grundämnen. Dessa består av en kärna och runt kärnan rör sig elektroner bundna i olika tillstånd eller nivåer. För att en elektron ska börja röra sig fritt i materialet så måste energi tillföras så att elektronen kan lämna tillståndet. Förenklat kan man beskriva den sammanlagda energin som krävs för att frigöra elektronen för bandgap. När elektronerna kan röra sig fritt så bygger de upp en elektrisk ström.

En fördel med att använda ett material med tre elektroniska övergångar – istället för en kombination av tre material med varsin övergång – är att man undviker de problem som uppstår i gränsskikten mellan olika material. Det är svårt att göra material som har både lämpliga bandgap och kristallstruktur som matchar varandra. Skillnader i kristallstruktur ger defekter som drar ner prestandan hos materialet. Utmaningen i modellen hamnade nu på att hitta ett material med lämpligt bandgap och rätt tillståndsnivå.

Några år senare presenterades en liknande modell – men beräknad på ett lite annorlunda sätt – för ett material som skulle passa som solcellsmaterial. Kubisk kiselkarbid som dopas med bor gavs som exempel på ett sådant lämpligt material.

Kubisk kiselkarbid är dock utmanande att framställa. Materialet vill inte forma sig såvida inte en del parametrar uppfylls. Den mest kända parametern är temperatur, som inte får vara för hög när det gäller kiselkarbid.

Under årens lopp har olika metoder använts för att försöka få fram kubisk kiselkarbid. Men antingen har kristallerna varit väldigt små eller så har de haft otillräcklig kvalitet. Det mest beprövade sättet är att framställa materialet på kisel, som finns tillgängligt som skivor. Detta skulle kunna erbjuda stora ytor som skulle ge tillräckligt med area för att utveckla komponenter i en industriell produktion.

Öar av kubisk kiselkarbid växer fram
Men kisel och kiselkarbid matchar inte varandra när det gäller kristallstorlek och hur kristallens storlek ändras med temperaturen. Skillnaderna ger upphov till defekter när man växer en film av kiselkarbid på kisel vid hög temperatur. Kiselskivan kan till och med böja sig av de spänningar som uppstår mellan materialen.

Kubisk kiselkarbid som framställs på kisel innehåller en mängd defekter som till och med kan ses med blotta ögat, eller så kan en skiva böja sig av spänningarna.

Det mest betrodda sättet att skapa kubisk kiselkarbid är att använda hexagonal kiselkarbid och omvandla materialet till kubisk kiselkarbid när man växer fram filmen. Hexagonal kiselkarbid finns kommersiellt tillgänglig som stora skivor och matchningen är nästan perfekt. Om ytan är plan så bildas öar av kubisk kiselkarbid. Men ofta blir det väldigt många små öar av kubisk kiselkarbid och mellan öarna finns många defekter som försämrar kvaliteten. Om man däremot utgår från en yta som är polerad med en liten vinkel från den plana ytan så breder öarna ut sig utmed vinkelriktningen. De blir på så sätt mycket större allt eftersom filmen växer sig tjockare.

Redan år 2000 studerade vi på Linköpings universitet detta, men kunde inte vidareutveckla konceptet på grund av bristande forskningsfinansiering. Istället började vi ett annat projekt där vi tillförde vissa ämnen till hexagonal kiselkarbid – då för att studera de fluorescerande egenskaperna som materialet får. Ett av ämnen var bor.

Materialet under lupp i Linköping
Det visar sig att kubisk kiselkarbid som dopas med bor är en nästan perfekt kombination för modellen som presenterades av Antonio Martí och Antonio Luque. Fram till idag har ingen kunnat studera detta eftersom det är svårt att framställa kubisk kiselkarbid. Rent allmänt har forskare undvikit bor i framställning av kiselkarbid eftersom det alltid finns kvar som bakgrundsförorening när man väl infört ämnet i utrustningen.

Materialbitar av kubisk kiselkarbid med Linköpingsmetoden (utan bor).

Under flera år har jag och mina forskarkollegor vid Linköpings universitet utvecklat en metod för att framställa kubisk kiselkarbid som klarar hög tillverkningshastighet men även ger god materialkvalitet.

Under hösten har vi beviljats 3,2 miljoner av Vinnova för utveckling av kubisk kiselkarbid som solcellsmaterial genom att dopa med bor. Som materialforskare är det oerhört kul att nu få möjlighet att framställa material för att studera dess optiska egenskaper.

Vi hoppas att utvecklingen blir tillräckligt framgångsrik för att leda till nästa steg: att studera den elektronik som kan baseras på kubisk kiselkarbid.