AI‑framsteg för tunnfilmssol genom att låsa upp perovskitstabilitet

Från kisel till tunnfilmer

I vår artikel “The Solar Age – A Bright Future To Mankind” förklarade vi hur solenergiens uppgång inledde en revolution i vår energiförsörjning, åtminstone på lång sikt.

Hittills tillverkas cirka 90 % av solpanelerna med kiselbaserad teknik, där den stora majoriteten använder polysilikondesigner, som har ersatt de äldre monosilikondesignerna (monokristallint kisel är mer hållbart, men också mindre kostnadseffektivt).

Källa: EIA

Ett alternativ är perovskiter, även ofta kallade tunnfilmssolceller, som fångar solens energi tack vare perovskits unika kristallstruktur. (En annan form av tunnfilmssolteknik använder tunnfilmsceller av kadmiumtellurid.)

Termen tunnfilm kommer från det mycket tunnare materiallagret som krävs för att producera elektricitet, vilket ger mer flexibla och lättare solceller.

Naturligt förekommande perovskiter består av kalcium‑ och titandioxid (CaTiO3), men andra mineraler kan ha samma kristallstruktur med en kemisk formel som följer regeln “ABX3”.

Trots mycket hög energikonverteringsavkastning är perovskiter mindre hållbara än kiselbaserade solceller, vilket har hindrat praktisk användning och deras kommersiella antagande.

Forskare vid Chalmers tekniska högskola (Sverige) och University of Birmingham använde maskininlärning för att klargöra den saknade delen av den teoretiska kunskapen om perovskitens kristallstruktur, vilket öppnar vägen för att göra dem mer hållbara och därmed möjligen nästa generation av kommersiell fotovoltaisk teknik.

De publicerade sina resultat i Journal of the American Chemical Society¹, under titeln “Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential”.

Formamidinium‑perovskitstabilitet

Forskarna arbetade med ett material som heter formamidinium blyjodid (FAPbI3). Det anses vara ett av de bäst presterande materialen i halidperovskitgruppen för sina lovande egenskaper för framtida solcellsteknologier.

Materialet är dock generellt sett inte tillräckligt stabilt under solljus för kommersiell tillämpning, och en del av orsaken är att den lågtempererade fasen av formamidinium blyjodid tidigare varit dåligt förstådd, fram till nu.

“Den lågtempererade fasen av detta material har länge varit en saknad pusselbit i forskningspusslet och vi har nu löst en grundläggande fråga om strukturen för denna fas.”

Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Avancerad AI-modellering

Experimentella observationer har hittills inte varit tillräckliga för att förstå FAPbI3:s kristallstruktur. Traditionella datorsimuleringar, som försöker beräkna och simulera atomernas beteende en efter en, kräver kraftfulla superdatorer och långa simuleringstider.

Istället använde forskarna sin expertis inom maskininlärning för att drastiskt förbättra effektiviteten i datorsimuleringar.

“Genom att kombinera våra standardmetoder med maskininlärning kan vi nu köra simuleringar som är tusentals gånger längre än tidigare.

Och våra modeller kan nu innehålla miljontals atomer istället för hundratals, vilket gör dem närmare verkligheten,”

Sangita Dutt – Chalmers University Of Technology

Kristallfasövergångar i FAPbI3

Beroende på temperatur kan FAPbI3 anta olika kristallstrukturer: kubisk vid 300 K (27 °C / 80 °F), tetragonal under 285 K (12 °C / 53 °F) och fortfarande okänd vid 140 K (‑133 °C / ‑207 °F).

Källa: Journal of the American Chemical Society

De fann att deras simulering förutsåg att materialet kan placeras i ett semi‑stabilt tillstånd när det kyls.

De testade sedan det i verkligheten vid -200 °C / -328 °F för att bekräfta att simuleringen exakt förutsäger perovskitkristallernas beteende, särskilt i detta ännu oprövade tillstånd.

Modellen fungerade mestadels med nästan perfekt förutsägelse för kolatomernas rörelse och en tillräckligt exakt förutsägelse för kväveatomer.

Källa: Journal of the American Chemical Society

Tillämpningar av AI‑driven perovskitforskning

Denna modell är den första som med god noggrannhet kan förutsäga alla kristallstrukturer för detta perovskitmaterial. Den är också mycket mindre krävande i beräkningsresurser, vilket gör den användbar för nästan alla forskarteam i världen. Så den kan avsevärt påskynda utvecklingen av denna teknik.

Kristallstruktur och deras stabilitet är grundpelarna för att göra perovskit mer hållbart, och är också nyckeln till att göra dem kommersiellt livskraftiga.

“Vi hoppas att de insikter vi har fått från simuleringarna kan bidra till hur man modellerar och analyserar komplexa halidperovskitmaterial i framtiden,”

Erik Fransson – Chalmers University Of Technology

Tunnfilmssol, som är mer flexibel, kan användas i många fler sammanhang än traditionella solpaneler. De är också mycket lättare i vikt.

Så om perovskit kan användas kommersiellt, skulle vi kunna börja använda det på byggnaders ytor, bilar, tak, mobiltelefoner osv., vilket ger riklig energi utan att behöva avsätta mark för stora solfarmer.

Amidimium verkar vara rätt riktning för denna teknik, med andra rapporter som också indikerar att ett skyddande lager av amidimium kan radikalt öka livslängden för tunnfilmssolceller. Alumina‑nanopartiklar kan också öka perovskitsolcellers livslängd tiofalt.

Troligen kommer en kombination av flera av dessa teknologier att uppstå för att skapa en ultrahållbar tunnfilm‑perovskitsolcell.

Swipe to scroll →

Investera i solinnovation

First Solar är den största tillverkaren av solpaneler i USA och i hela den västra hemisfären, med tillverkningsanläggningar i USA, Malaysia och Vietnam.

Företaget använder inte den klassiska kristallina kiseltekniken utan använder istället sin egenutvecklade tunnfilm‑fotovoltaik.

Baserade på kadmiumtellurid är de mer effektiva, produceras till lägre kostnad och kan enkelt massproduceras.

Källa: Department Of Energy

Tunnfilmssolpaneler av kadmiumtellurid är också mer hållbara och behåller 89 % av den ursprungliga prestandan efter 30 år.

Källa: First Solar

Kadmium och tellurid är biprodukter från gruvdrift av andra metaller, vilket innebär att First Solar-produkter har minimal påverkan och använder resurser som tidigare hade liten nytta. Tunnfilmspaneler kan också ha en hög återvinningsgrad.

Företagets fokus på tunnfilm‑semiconductorteknik gör att det är fullt vertikalt integrerat, vilket gör det radikalt annorlunda jämfört med den kiselbaserade solpanelindustrin.

Istället för flera fabriker, där varje aktör är specialiserad på ett segment som polysilikonrening och där det tar många dagar att producera en solcell, kan First Solar gå från råmaterial till färdig produkt på mindre än 4 timmar.

Källa: First Solar

First Solars teknologiska fördel, kombinerat med dess geografiska läge, gör det till sannolikt den som drar nytta av den växande drivkraften för västländer att anskaffa sina paneler från utanför Kina.

Företaget ökar snabbt sin produktionskapacitet och siktar på att nå en namngiven kapacitet på 25 GW år 2026, från nuvarande 11 GW.

First Solar har spenderat sammanlagt 2  miljarder dollar på FoU sedan starten. FoU‑team på First Solar förutspår en tunnfilm‑CdTe med 25 % celleffektivitet och vägar till 28 % celleffektivitet år 2030.

Med tanke på dess engagemang i den forskning som diskuteras här är företaget också tydligt intresserat av perovskit, åtminstone så snart dessa paneler är tillräckligt hållbara.

På lång sikt ser First Solar på att integrera sin erfarenhet av tunnfilm av kadmiumtellurid med perovskitteknik, vilket gör de resulterande solpanelerna ännu mer effektiva.

Källa: First Solar

Sammanfattningsvis är First Solar en teknologiledare som sannolikt kommer att gynnas av tullar på kinesiska importvaror, något som troligen kan kompensera för den negativa effekten på solenergiindustrin från Trumps återval.

Även om fokus för närvarande ligger på tunnfilmssol med kadmiumtellurid, kan dess expertis inom icke‑kiselbaserad solpanelstillverkning ge den ett betydande försprång med perovskit, särskilt med tanke på dess djupa kopplingar till några av de främsta forskarna inom detta område.

(Du kan också läsa mer information om First Solar i investeringsrapporten som är dedikerad till företaget)

Senaste nyheter och utveckling för First Solar (FSLR)

Refererad studie

^{1. Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, and Julia Wiktor. Revealing the Low-Temperature Phase of FAPbI3 Using a Machine-Learned Potential. Journal of the American Chemical Society. 14 augusti 2025. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05265}