PSO-F&U 3629 Forskning og udvikling af 2. generations PEC solceller

Transkript

1 PSO-F&U 3629 Forskning og udvikling af 2. generations PEC solceller Indsatsområde: Solceller Tidsplan PSO omkostninger Projektorganisation: Teknologisk Institut sep til sep mio. kr. PSO projektet Forskning og udvikling af 2. generations fotoelektrokemiske solceller er et bredt funderet F&U projekt, fokuseret på udvikling af design og produktionsteknologi for fremstilling af elektroder til PEC solceller. Projektet er en videreføring af projektarbejdet vedrørende bygningsintegrerede PEC solceller afviklet fra 2000 til 2001 med støtte fra Energistyrelsens særlige rammeprogram for udvikling af nye PV teknologier. Parallelt med den tekniske målsætning har det været projektets hensigt at etablere et skandinavisk team omkring udvikling af elektrokemiske solceller. Projektet har fra sin start den 1. september 2001 og frem til afslutningen den 30. september 2003 formået at skabe et velfungerende udviklingsteam bestående af de 5 partnere: Dansk Polymer Center/Forskningscenter Risø, Ångström Solar Center/Uppsala Universitet, Institut I og II/Roskilde Universitetscenter, samt Teknologisk Institut. Partnerne har i projektperioden udviklet egne særlige kompetencer svarende til de behov, som F&U projektet løbende har identificeret. De udviklede kompetencer kompletterer hinanden, og de udgør p.t. en værdifuld videnplatform for det videre arbejde med den elektrokemiske solcelle frem mod en kommercialisering. Udvikling af bygningsintegreret PV forudsætter tre væsentlige forhold som skal være opfyldt for succesfuld kommerciel udnyttelse. Disse er: 1. en reduktion af solcellernes pris 2. en arkitektonisk formulering af solceller beregnet til byggeriet. 3. en integration af solcellerne i bygningskomponenter, hvor komponenten har flere funktioner end blot at producere miljøvenlig energi. Erkendelsen af disse væsentlige forhold er sket i projektperioden, via kontakter til udviklere, finansielle investorer og produktionsvirksomheder. Denne erkendelse har naturligvis haft konsekvens for projektgruppen, uden dog direkte at påvirke afviklingen af projektets allerede fastlagte faglige arbejde. Ved projektets start var ambitionen for projektet hovedsageligt rettet mod billiggørelse, effektivitet og stabilitet. Det har imidlertid vist sig, at en af de teknikker som anvendtes i projektet kunne ses som en løsning på ovenstående punkt 3, og dette har konkret afledt endnu et PSO finansieret projekt Transparente solceller, Eltras projektnummer 4770.

2 For projektarbejdet har dette betydet at produktidéen og dermed projektets fokus, har flyttet sig fra den prisbillige PEC celle til en økonomisk attraktiv, transparent solafskærmning med integrerede PEC celler. Projektet haft vital betydning som fødselshjælper til dette produkt. Endvidere har projektet bidraget til at skabe det nødvendige teknologiske fundament og interesse hos investorer til at etablere virksomheden PhotoSolar ApS, en virksomhed der har som sin primære opgave at varetage videreudvikling af solafskærmninger med integrerede solceller helt frem til en kommercialisering. Produktideen er patentanmeldt. Projektets målsætning og faglige resultater Projektet har haft en stærk fokus på udvikling og implementering af forbedrede elektroder til PEC solcellen. Dette gælder både modelektrode og fotoelektrode. Der er arbejdet med at udvikle en alternativ modelektrode, som er produktionsmæssig stabil og potentielt billigere at fremstille end den platin modelektrode som p.t. er den mest anvendte modelektrode i elektrokemiske solceller. De udviklede elektroder har en kvalitet, der er fuldt på højde med, hvad der omtales i litteraturen samtidigt med, at de er enklere/billigere at producere. Endvidere er der arbejdet med at udvikle en rationel metode for fremstilling af fotoelektroder fra kommercielt tilgængelige råmaterialer, hvor idéen er at reducere antal procestrin i forhold til de processer, der beskrives i litteraturen. Med den udviklede metode kan der i dag fremstilles fotoelektroder med en tilfredsstillende reproducerbarhed, homogenitet og mekanisk styrke. I det videre arbejdet med PEC cellen skal der arbejdes med at optimere fotoelektrodens aktive overfladeareal, som godt må blive større for at øge cellens strømudbytte. De udviklede elektroder, foto- og modelektroden, er begge designet med tanke på at de skal indgå i et koblet system, hvor elektroderne bygges sammen i en monolitisk struktur. I projektet er et sådant koblet elektrodesystem designet, fremstillet og testet i laboratoriet. Resultaterne fra dette arbejde viser at det mest hensigtsmæssige design p.t. er en pseudo-monolitisk struktur. Denne struktur sikrer en kort og konstant afstand mellem de to elektroder, samtidig med at det effektivt forhindrer kortslutning af cellen. Det er udviklet en fleksibel produktionsplatform, hvor antallet af processer er stærkt reduceret i forhold til tidligere, og det er vist at såvel fotoelektrode, modelektrode og koblet elektrodesystem kan fremstilles ved samme industrinære proces.

3 De udviklede foto- og modelektroder er også designet med tanke på en efterfølgende mikrostrukturering. Mikrostruktureringen er interessant, fordi den, i lighed med det monolitiske design, bidrager til at øge cellens ydelse og holdbarhed. Resultaterne af arbejdet med mikrostruktureringen viser at både fotoelektroden og modelektroden kan tilføres de ønskede strukturer i processer der kan anvendes industrielt. Der har været en betydelig omlægning af produktionsteknikken for PEC solcellerne igennem projektet, både med henblik på afprøvning og anvendelse af nye, alternative fremstillingsmetoder, og med henblik på kvalitetssikring af de anvendte processer. Dette arbejde har været meget omfattende, og har haft konsekvens for hele gruppens arbejde på alle niveauer. Resultatet af satsningen er indtrådt i den afsluttende del af projektet, hvor ydelse og stabilitet af de fremstillede celler er forbedret mærkbart. I dag kan Teknologisk Institut PEC Group fremstille ca. 24 komplette celler pr. uge, med en kassationsrate mindre end 8%. Ydelsen af cellerne er i området 2,3 til 3,0% målt ved 900W/m 2, mens fill factor ligger i området 0,65 til 0,70. Dette målt på celler med elektrodeareal på ca. 10 cm 2. Den oprindelig ansøgning indeholdt en aktivitet rettet mod forbedring af PEC cellens elektrolyt. Det blev dog allerede tidligt i projektforløbet klart, at der var et større behov for at styrke gruppens evne og mulighed for at karakterisere cellens fysiske, kemiske og elektriske egenskaber. Aktiviteten Elektrolyt blev derfor, efter accept fra Eltra, erstattet af aktiviteten Toolbox som har til formål at tilvejebringe de nødvendige karakteriseringsmetoder. Gennem denne aktivitet har gruppen i dag en værktøjskasse tilgængelig en værktøjskasse indeholdende et bredt udvalg af karakteriseringsmetoder der kompletterer hinanden. Toolbox arbejdet har vist sig særdeles værdifuldt i udviklingsarbejdet. Metoderne giver mulighed til at kigge ind i cellen og få information om de komplekse processer der styrer cellens funktion. Det sidste indsatsområde i projektet er udvikling af modeller, en aktivitet der i lighed med Toolbox, har til formål at øge forståelsen af de komplekse fysiske, kemiske og elektriske reaktioner der styrer cellens operation. Fokus i arbejdet har været at udvikle modeller på to niveauer: et overordnet niveau som er velegnet til at beskrive cellens strøm-spændings-karakteristik, og et mere detaljeret niveau, hvor cellens operation brydes ned i delprocesser som kan beskrives. Der er lagt vægt på at skabe en sammenhæng mellem de to modeltyper, således at størrelser i hel-celle modellerne kan relateres til kritiske parametre i en eller flere af cellens delprocesser. Dermed fremstår modellerne som et værdifuldt link mellem cellens ydre elektriske egenskaber og relationerne mellem cellens indre komponenter. En uddybende beskrivelse af arbejdet og de faglige resultater, der er nået i projektet, findes i rapportens afsnit 2, 3, 4, 5 og 6, der beskriver hver af projektets fem hovedaktiviteter.

4 Projektets milepæle I projektets ansøgning blev følgende overordnede milepæle defineret: 1. demonstration af at de nye elektroder og den optimerede elektrolyt forbedrer PEC cellens ydelse 2. demonstration af at de nye elektroder øger PEC cellens holdbarhed 3. demonstration af at de forbedrede elektroder kan produceres i sammenhæng med de øvrige enhedsoperationer, der er nødvendig for fremstilling af PEC solceller. Som nævnt tidligere er alle aktiviteter vedrørende udvikling af elektrolyt nedprioriterede til fordel for Toolbox -aktiviteterne, og disse milepæle kommenteres følgelig ikke nærmere. I projektet er der udviklet nye elektroder: en ny modelektrode, mikrostrukturerede fotoog modelektroder og et koblet elektrodesystem, hvor alle er udviklet med tanke på at forbedre PEC cellens ydelse. Den nye modelektrode giver en klar forbedring af cellens elektriske egenskaber målt i forhold til niveauet ved projektets start. Det koblede elektrodesystem er, i lighed med modelektroden, en faktor der påvirker cellens elektriske egenskaber i positiv retning, - en effekt som p.t. ikke er fuldt ud dokumenteret, men som kan anskueliggøres ud fra teori. De mikrostrukturerede elektroder tilfører cellen nye egenskaber i det de tillader en videreudvikling af PEC cellen frem til et facadeelement, der ud over at producere strøm, også regulerer lysindfaldet. Endvidere er en mikrostrukturering af fotoelektroden interessant, da denne kan bidrage til at øge cellens holdbarhed. I projektet er celler med mikrostrukturerede elektroder testet og sammenlignet med tilsvarende elektroder uden mikrostrukturering. Det er på nuværende tidspunkt ikke muligt, at drage en konklusion i forhold til mikrostruktureringens kvantitative effekt på cellernes holdbarhed. Med udgangspunkt i den viden vi har efter dette projekt, står det klart at det er nødvendigt med større testserier og optimeret processteknologi for at lave en endelig kvantificering af mikrostruktureringens effekt i forhold til stabiliteten. Dette forhold forventes imødekommet i fremtidige projektprogrammer. Ovenstående leder til den erkendelse, at dokumentation af PEC cellens stabilitet forudsætter en helt fastlagt og reproducerbar produktion, der tillader fremstilling af store serier identiske celler, både med og uden mikrostrukturerede elektroder. Endvidere kan det konkluderes på baggrund af ovenstående, at en eventuel stabilitetseffekt ved mikrostrukturering af fotoelektroden er en effekt der let kan overdøves i støj fra andre mere betydende parametre i processen. Det har derfor været væsentligt for projektgruppen at anvende dette projekt til at fastlægge produktionsmetoderne for de udviklede

5 elektroder, så der i fremtiden findes et produktionsapparat der kan producere celler reproducerbart, og dermed åbne for en indgående analyse af cellernes stabilitet og holdbarhed. Arbejde med at etablere dette produktionsapparat er gennemført fuldt tilfredsstillende. For at adressere opgaven med dokumentation af strukturerede elektroders stabilitet, har udviklingsgruppen ansøgt et egentligt PEC stabilitetsprojekt til hhv. EFP 2003 og PSO 2004 puljerne. Disse projektforslag har været drevet af netop denne erkendelse af, at dokumentation af stabilitetseffekter kræver et langt og fastlagt testprogram, som ikke har kunne indeholdes i projektarbejdet der ligger bag denne rapportering. Indenfor hver af projektets hovedaktiviteter er der defineret et antal milepæle hvor alle er nået til den planlagte tid. En komplet oversigt over de nåede milepæle indenfor de enkelte aktiviteter findes i de afsnit, der beskriver den aktuelle aktivitet, dvs. henholdsvis afsnit 2, 3, 4, 5 og 6. Projektets overordnede mål og succes Parallelt med de konkrete målsætninger og milepæle, foreligger der også et overordnet mål for projektet, som i projektets ansøgning er formuleret som: at etablere grundlaget for en industriel produktion af PEC cellen i Danmark, og dermed give de danske elproducenter og brugere tilgang til en ny miljøvenlig energiform, som er velegnet for danske samfundsforhold. Ved projektets afslutning er der indenfor projektgruppen ikke tvivl om at det udførte arbejde har bragt projektgruppen et væsentligt skridt i retning af kommercialisering. Vi har i projektperioden arbejdet med at rendyrke et produkt som er egnet for kommercialisering. Dette har resulteret i, at vi i dag har fuld fokus på den transparente solafskærmning med integrerede PEC celler. Dette skifte af fokus, hvor vi har gået fra PEC solceller generelt til en applikation hvori PEC cellen er integreret, har bragt os et markant skridt fremad på vejen fra forskning til kommerciel produktion. Det er lykkedes at sikre denne idé bredt, og sammen med den opbyggede viden om PEC solcellen samt arkitekturens betydning for solceller, har vi bidraget til et nationalt fundament for videreudvikling af solceller med appel til et marked der rækker væsentligt ud over landets grænser.