Ett tiotal solceller i skiftande färg och form står uppradade på taket till Ångströmlaboratoriet i Uppsala. Här får studenter och doktorander lära sig mer om olika solcellstekniker. Det finns en hel del nytt att sätta sig in i, och utvecklingen går snabbt.

– Under tiden jag har arbetat med solceller, sedan 1980-talet, har de gått från att vara något dyrt och exklusivt till att bli ett förhållandevis billigt energislag, säger Marika Edoff, professor i fasta tillståndets elektronik vid Uppsala universitet och föreståndare för Solve – Solel­forsknings­centrum Sverige.

Utbyggnaden av solceller har skett med raketfart de senaste fem åren. Förra året avstannade trenden, då färre valde att installera solpaneler. Men de paneler som sitter på plats fortsätter att producera el. Under 2024 kom 4,1 terawattimmar el från svensk ansluten solkraft. Största bidraget (60 procent) kom från mindre anläggningar på exempelvis villatak. Men solpaneler finns även på stora tak till kommersiella byggnader och på marken i solparker.

Den kraftiga utbyggnaden har gått hand i hand med teknikutveckling som gjort solceller mer effektiva.

– Kiselsolceller ger dubbelt så mycket el i dag jämfört med 1980-talet. Verkningsgraden har ökat från cirka 11 procent till runt 23 procent. I labbet är det ännu mer, säger Marika Edoff.

Verkningsgrad är ett mått på hur stor andel av solenergin som når solcellen, som sedan kommer ut ur cellen i form av elektricitet. Marika Edoffs forskargrupp arbetar med tunnfilmssolceller av materialet CIGS, med tunna skikt av kopparindiumgallium­selenid – en teknik som är kommersiellt utbredd i dag, men där utvecklingen fortsätter. Mycket handlar just om att försöka öka verkningsgraden.

– Vi studerar också hur man kan använda grundämnen med hög förekomst på jorden, till exempel i så kallade CZTS-solceller med skikt av kopparzinktennsulfid. Och vi forskar på kombination av solcellstekniker i det som kallas tandemsolceller där flera solceller läggs på varandra, säger Marika Edoff.

Det ligger nära till hands att utse henne till Sveriges ”Madame solcell”. Hon har jobbat med solenergi sedan studietiden och var med och bildade Solve år 2022. Solel­forsknings­centrum Sverige är ett samarbete mellan fem svenska universitet och högskolor, ett forskningsinstitut, Energimyndigheten och närmare 50 offentliga och privata organisationer.

– När jag disputerade vid KTH var solceller något exotiskt. Nu finns de överallt. Det är jätte­spännande! säger Marika Edoff.

Utvecklingsresan har inte alltid varit en dans på rosor. År 2002 startade Marika Edoff avknoppningsföretaget Solibro tillsammans med tre forskarkollegor vid Uppsala universitet där hon fortsatt forska. Målet var en storskalig svensk produktion av tunnfilmssolceller. Några år senare förlades dock tillverkningen till Tyskland, och därefter Kina. 2019 gick företaget i konkurs.

– I början trodde vi att tunnfilm var det enda som var billigt nog att slå stort. Men sedan hände det så otroligt mycket med kisel. Det har blivit enormt mycket billigare och svårt att konkurrera med, säger Marika Edoff.

Det som hittills har legat tunnfilmssolceller i fatet är en lägre verkningsgrad jämfört med kiselceller. Länge handlade kampen om att nå 19 procents verkningsgrad, men forskarna har numera nått avsevärt högre i labben.

En fördel med tunnfilmssolceller är att de kan göras böjliga, och därför inte blir begränsade till storlek och placering. De kan till exempel formges för att likna ett tegeltak. Av en del anses tunnfilmssolceller vara mer estetiskt tilltalande. Därför är den här typen av solcell vanlig vid fasadinstallationer. Då läggs tunnfilmen ofta på glassubstrat, så att fasaden ser ut som färgat glas eller sten.

För Marika Edoff och Solve fortsätter spurten mot bättre verkningsgrader för CIGS-solceller. I februari 2024 rapporterade forskargruppen om världsrekord på 23,64 procent.

– CIGS-solceller kan bli del av en supereffektiv och stabil tandemsolcell framöver. Det kommer att innebära ett helt nytt läge för vår teknik, säger hon.

Hon är inte ensam om tanken att just tandemsolceller kan erbjuda nästa stora tekniksprång. Bland annat har företaget Midsummer rapporterat om en kombination av CIGS-tunnfilm och perovskitsolcell med 24,9 procents verkningsgrad.

– Om man vill öka verkningsgraden till över den teoretiska gränsen på 33 procent behöver man bygga tandemceller. Det går att kombinera olika kiselceller eller med tunnfilm eller annat, säger Marika Edoff.

På avdelningen för solcellsteknik i Uppsala prövas olika kombinationer av tunnfilm och kisel. Det finns också andra lovande kombinationer.

Att lägga ett tunt skikt av materialet perovskit (kalciumtitanoxid) på en kiselsolcell kan göra susen. Kombinationen fångar ett brett spektrum av solens strålar och nyttjar det infångade ljuset effektivare.

En nackdel är att de mest effektiva perovskiterna innehåller små mängder av tungmetallen bly. Frågetecken finns också kring långtidsstabiliteten. Solceller som ska sitta utomhus i 30 år måste tåla väder och vind.

Ett steg mot stabilare perovskitsolceller togs av forskare på Kungliga tekniska högskolan, KTH, för tre år sedan. James Gardner och hans kollegor på avdelningen för tillämpad fysikalisk kemi visade då ett sätt att göra perovskiter mer tåliga mot vatten. Enligt resultaten, publicerade i tidskriften Nature, klarade materialet flera minuter i vatten och solcellerna behöll sin verkningsgrad i över 100 dagar. För att uppnå det täckte forskarna perovskit­solcellen med en annan sorts perovskit. Det övre lagret gjordes vattenavvisande genom tillägg av en molekyl.

Ett annat företag som satsat på utvecklingen av tandemsolceller med perovskit är Evolar i Uppsala. Vid labbtester har de visat att den typen av solceller kan klara både hög fukthalt och temperatur. En livslängd på runt 25 år är fullt rimlig.

Vilka solceller vi kommer att få se i framtiden beror mycket på tåligheten för vatten, temperaturer och andra miljöfaktorer. Ingen vill bekosta en dyr anläggning som inte håller i längden.

Utöver själva solcellens konstruktion finns även andra vägar att gå för att öka effektiviteten. Ett sätt är att tillverka dubbelsidiga solceller som fångar in ljus även på baksidan. Exempel på det är de så kallade agrivoltaiska solceller som testas i några provanläggningar. Tanken med de agrivoltaiska solcellerna är att de ska kunna stå på mark som samtidigt odlas mellan solpanelerna.

En sådan solpark finns på ett fält nära Hova, mellan Vättern och Vänern. De dubbelsidiga solpanelerna följer solen i öst-västlig riktning under dagen för att maximera elproduktionen. Forskare vid Mälardalens universitet arbetar just nu med en studie av solparken.

– Solcellsbranschen har kanske en lite tuff period just nu, men det kommer att ändras igen så fort elpriserna stiger. Med tanke på klimatförändringarna framöver är det svårt att se att det kan gå åt något annat håll, säger Marika Edoff.