Noen solceller bør ikke se dagens lys grunnet giftige materialer, mener professor

Det er bred enighet om at fornybar energi er det som må til for å skaffe mer energi. Likevel viser blant annet Fosen-saken at mange hensyn må tas i det grønne skiftet. Den saken handlet om vindmøller i konflikt med reindrift og urfolks rettigheter. 

Kan solceller komme i en liknende klemme? Blir overgangen til fornybar energi så viktig at vi mister andre deler av bærekraftmålene av syne? 

Det er en bekymring professor i uorganisk materialkjemi, Ola Nilsen, ved Universitetet i Oslo gjerne snakker mer om.

Mener det er uetisk å forske på

Det finnes mange ulike typer solceller. Det forskes stadig på hvordan solcellene kan produseres billigere og hvordan de kan ha bedre effekt. 

Nilsen mener at når forskningen går fra å studere fundamentale prinsipper til å gjøre klar for en mulig teknologi, så bør det være solceller som faktisk kan tas i bruk.

Solcelle-typen han sikter til, er en klasse som har fått stor oppmerksomhet de siste årene. Men de inneholder bly. 

Ifølge ham betyr det at disse solcellene uansett er forbudt å ta i bruk i EU. De passerer nemlig ikke kravene som er satt til produkter med bly. 

Derfor mener han at det er uetisk å forske på å ta slike materialer videre til anvendt teknologi.

Må få bedre forståelse for mekanismene bak

Professor Espen Olsen ved Norges Miljø- og Biovitenskapelige Universitet (NMBU) er uenig:

– Slik jeg ser det, må det være noe av det mest etiske å forske på. I dag har man ikke klart å finne noe alternativer til bly i perovskittsolceller, sier han. 

Perovskitter er en gruppe mineraler som er bygget opp på en bestemt måte.

Han forklarer at årsaken til det er at mekanismene for hvordan de virker fysisk ikke er godt nok forstått. 

Han mener at ved å etablere bedre forståelse for blyholdige perovskitters virkemåte kan vi øke sannsynligheten for å finne et alternativt materiale til bly som virker like godt eller helst bedre. 

– Det er min hovedmotivasjon som solcellefysiker for å drive med dette, forklarer Olsen.

Bør diskutere etikken

Nilsen er ikke uenig i at det kan være fordeler med å forstå de underliggende prinsippene for hvorfor bly fungerer så godt, men:

– Mye av dagens forskning handler om å forlenge levetiden til solceller med bly snarere enn å forstå mekanismene. Det er også problematisk at forskere argumenterer for bruk av bly, sier Nilsen.

Han mener at forskere i større grad enn i dag bør diskutere etikken i denne typen forskning.

Blyholdige solceller er enkle og billige å lage

Til tross for blyforbudet i EU ble det utviklet solceller i 2012. Der er bly en del av selve solcellen. Flere miljøer ønsker å få slike på markedet.

Ifølge Olsen har de blyholdige solcellene flere gode egenskaper:

– Fordelen er at tynne filmer av perovskitter generelt ses på som det neste kvantespranget innen solcelleteknologi. Det er i form av tandemsolceller med en silisiumsolcelle i bunnen og en tynn film av perovskitt oppå, sier han. 

Olsen forklarer videre at perovskitter kan designes slik at det såkalte båndgapet matcher båndgapet til silisium i en tandemstruktur. Båndgapet i et materiale handler om hvilke energinivåer elektronene kan ha. Det har mye å si for hvor godt et materiale kan lede strøm.

Det er altså ikke blyet i seg selv som er poenget, men materialklassen perovskitter. 

– Disse kan fremstilles svært enkelt og billig. Det kan få ned prisen ytterligere på elektrisk energi fra solceller. Til nå har ingen klart å erstatte bly i en perovskittsolcelle med høy effektivitet. Dette forskes det på den annen side mye på, sier han.

Blyholdige perovskitter tåler ikke sollys eller luft

– Materialtypen som disse solcellene tilhører, ble utviklet før 2000, forteller Nilsen. 

Materialet i solcellene er såkalte perovskitter med bly og mye annet. De er enkle å lage, men de er luftfølsomme og ustabile. Han som først utviklet dem, sluttet derfor selv å forske på denne typen materialer.

Likevel: Disse materialene hadde riktig båndgap for solceller. Derfor var det noen forskere som fortsatte å studere hvordan disse kunne brukes som solceller, til tross for de åpenbare ulempene: 

– Jeg unngikk disse materialene, for de tåler ikke sollys over tid, og de er luftfølsomme, sier Nilsen. 

I tillegg inneholdt de bly, som er giftig. 

Andre teknologier har større blyutslipp

Han forteller at noe av forskningen på dette materialet som solcelle-kandidat har derfor handlet om å forlenge levetiden, kapsle det inn i lufttette beholdere og å finne alternativer til bly, uten at det har vært mulig å erstatte det helt. Til det har blyet for perfekt båndgap.

Olsen mener på sin side at det er fullt mulig å bøte på ulempene med tiltak. 

I tillegg mener han at det er andre teknologier som har større blyutslipp hvor tiltakene heller burde vært rettet. Han peker på at ulike økonomiske områder, slik som EU, også har andre interesser, som å beskytte egen industri:

– I solcellemiljøet ses blyet på som en ubehagelighet som kan avbøtes med tiltak. Innkapsling og mekanisk stabilitet er nøkkelord her. Mengden bly i en tynnfilm perovskittsolcelle er også forsvinnende liten, sier Olsen. 

Bly brukes mange steder, for eksempel i batterier. Et bil- eller fritidsbatteri veier mange kilo. 

Fisket opp 16 tonn gamle blybatterier

Olsen forteller videre at de i høst fisket opp 16 tonn eller noe slikt med gamle blybatterier fra bunnen av Frognerkilen i Oslo. Han mener det likevel ikke bør være et argument for at det ikke skal bli tatt i bruk i ny teknologi. 

Ny teknologi lekker formodentlig ikke og vil heller ikke bli dumpet slik som den gamle teknologien ble.

I USA har det teknologiske selskapet First Solar et nøye gjennomtenkt system for kontroll med, innsamling og resirkulering av sine CdTe-solceller. Denne typen solceller inneholder giftig kadmium. 

Disse solcellene er forbudt i EU nettopp fordi kadmium er svært giftig. USA vil nok mene at dette argumentet er brukt for å beskytte EUs egen solcelleproduksjon og at det er en form for handelsblokkering.

Det fungerer jo i USA

Poenget til Olsen er at disse solcellene fungerer fint i USA, selv om de er giftige. De har et system for å kontrollere det. Han mener vi også fint kunne hatt solceller som inneholder bly. At de er giftige, er ikke et godt argument. Det fungerer jo i USA.

Nilsen mener at disse argumentene ikke holder:

– At det er lite bly i solceller, er et dårlig argument ettersom også små mengder er skadelig. Vi kan ikke stikke hodet i sanden når det kommer til dette stoffet, sier han. 

Én million dødsfall i året kan spores tilbake til bly. En tredel av alle barn i verden har mer bly i blodet enn det som er regnet som ufarlig. Det kan hindre kognitiv utvikling.

– For CdTe-solceller er det heller ikke bra, men de tåler i det minste sollys i tillegg til at de ikke går i oppløsning dersom de blir utsatt for vann. Dette er to ting som bly-perovskittene sliter med, fortsetter Nilsen.

Dagens silisiumbaserte solceller krever svært mye energi å lage

Bly er giftig for alle kroppens organer. Det har ingen funksjon i kroppen, og det er spesielt skadelig for hjernen, ifølge Nilsen.

– Det er en grunn til av vi faser ut blyhagl i Norge, sier Nilsen.

Han forteller at det jobbes hardt for å fase ut bly på andre områder, slik som hvitt pigment i maling. Og for solceller finnes det alternative materialer som er like gode eller bedre.

De solcellene som er kommersielt tilgjengelige i dag, er stort sett laget av krystallinsk silisium. Dette inneholder noe bly der solcellene er loddet, men ikke i selve solcellen. 

For å få silisium krystallinsk er det nødvendig med svært høye temperaturer. Det gjør at dagens vanligste solceller er energikrevende å lage, og energi koster. 

– EU har forbudt bly i elektronikk. Det er fordi det er farlig. Det er ingen god grunn til at vi skal bruke forskningsmidler til dette. Det finnes bly-frie alternativer, sier Ola Nilsen. (Foto: Elina Melteig)

Det er noe av bakgrunnen for at forskere leter etter alternative materialer.

– Det finnes alternativer til silisium-solceller som ikke inneholder bly, påpeker Nilsen.

Han forstår ikke hvorfor prosjekter som søker å forlenge levetiden til blyholdige perovskitter har fått støtte.

Bly og kadmium er svært giftig

På Nilsens egen lab har han tatt forholdsregler mot stoffer som er farlige:

– I vår lab bruker vi ikke bly, kvikksølv og kadmium. Det gjør avfallshåndtering enklere, og det kan forurense andre prøver. Vi får uansett ikke kommersialisert materialer som inneholder dette i fremtiden. Da er det heller ikke noe poeng i å prøve å lage materialer med disse stoffene, sier Nilsen.

Likevel mener han at det ikke bør være noe generelt forbud mot å bruke disse stoffene i forskning:

Nilsen mener det ikke er all forskning som er like relevant å ta i bruk. Hvis det er lavt nivå av såkalt «technology relevance level», så kan forskerne bruke alle grunnstoffer.  

«Technology relevance level» er en gradering av hvor klar en type teknologi er for å tas i bruk kommersielt.

– Men hvis målet er kommersialisering, bør de også ha en realitetssjekk. Har dette materialet livets rett? Kan det tas i bruk?

Nilsen mener med andre ord at det ikke skal gis offentlige midler til å forske på solceller som inneholder giftige stoffer slik som bly. Argumentet er at de ikke vil kunne bli tillatt med dagens regelverk.

Han mener at grunnen til at forskere fortsetter å bruke disse materialene, er at det er vanskelig å få publisert forskning om forsøk som ikke har fungert. Generelt får man bare publisert positive resultater. 

– Dersom noen har gjort et forsøk på å erstatte bly, men ikke har fått det til, så er det vanskelig å få det publisert. Da er det enklere å publisere et resultat om bedre effekt av solcellene, selv om de skulle inneholde bly, sier han.

Derfor er det vanskelig å forlate dette materialet selv når det ikke vil være mulig å kommersialisere det. 

– Det britiske selskapet Oxford PV har blitt etablert for å lage solceller som inneholder bly. De har fått private investorer til å satse på denne teknologien, sier Nilsen.

Equinor er blant eierne av Oxford PV. Dette viser at det er mange miljøer som ønsker en kommersialisering av denne typen teknologi.

Referanser:

Joseph J. Berry og Michael D. Irwin: Leaving in the lead: Priorities for perovskite photovoltaics. APL Energy, 2023. Doi.org/10.1063/5.0150167

Directive 2002/95/EC of the European Parlament and of the Counsil of 27 January 2003: On the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment (PDF). EUs forbud mot bly.

Verdens helseorganisasjon: Almost 1 million people die every year due to lead poisoning, with more children suffering long-term health effects. Engelsk nettside, WHO, 23. Okt. 2022.