Forskere har skabt bittesmå guldstrukturer, der opfanger næsten hele solspektret
Et forskerhold fra Korea University har udviklet miniaturiserede, selvorganiserende strukturer af guld, som er i stand til at absorbere næsten hele det nyttige solspektrum. Hvis teknologien klarer sig uden for laboratoriet, kan den grundlæggende ændre markedet for vedvarende energi.
Solen leverer hvert sekund en kolossal mængde energi til Jorden – langt mere end hele menneskeheden forbruger i samme tidsrum. Alligevel udnytter almindelige solcellepaneler kun en brøkdel af denne stråling.
De bedste kommercielt tilgængelige monokrystallinske siliciumpaneler opnår i dag en virkningsgrad på cirka 20–22 procent. Af den samlede energi, som et modul på et hustag modtager, omdannes kun en femtedel til elektricitet. Resten forsvinder som reflekteret lys eller spildvarme.
Shockley-Queisser-grænsen er den fysiske barriere, alle vil overvinde
Det handler ikke om fejl hos en bestemt producent, men om en fysisk grænse kendt som Shockley-Queisser-grænsen. Silicium kan kun effektivt behandle et smalt udsnit af solspektret. Bølger med andre længder passerer igennem materialet, reflekteres eller opvarmer cellen i stedet for at frigøre elektroner. Forskere har i årevis ledt efter måder at bryde denne barriere og høste markant mere elektricitet fra hver kvadratmeter panel.
Hvordan guldnanopartikler opfører sig anderledes end almindeligt metal
Siden begyndelsen af det 21. århundrede har videnskabsfolk eksperimenteret med guld i nanometerskala, fordi det på dette niveau opfører sig fundamentalt anderledes end en guldklump. Det centrale fænomen kaldes lokaliseret overfladeplasmonsresonans, forkortet LSPR.
Når stråling rammer en guldnanopartikel, begynder elektronskyen på dens overflade at vibrere med en frekvens, der gør partiklen til en exceptionelt effektiv lysabsorberer. Den fungerer lidt som en miniaturantenne afstemt til en bestemt bølgelængde.
Her opstår dog et problem: hver enkelt nanopartikel reagerer primært på et smalt farvebånd, der afhænger af dens størrelse. Én opfanger nær-infrarød stråling bedre, en anden er mest følsom over for grønt eller rødt lys. En isoleret partikel er altså en fremragende absorberer, men kun for en lille del af solspektret. Derfor ledte det koreanske forskerhold efter en måde at skabe en struktur, der opfanger hele det nyttige spektrum på én gang.
Supraballs samler snesevis af nanopartikler i én kugle
Holdet fra Korea University besluttede at vende denne svaghed til en fordel. I stedet for at arbejde med individuelle nanopartikler af én størrelse samlede de mange partikler af varierende dimensioner i én større kugle. Disse strukturer kaldte de supraballs.
Princippet er elegant enkelt: hver nanopartikel i kuglen har en anden størrelse og er dermed afstemt til en anden bølgelængde. Tilsammen kan kuglen absorbere lys fra et bredt spektrum – fra kortere bølger til nær-infrarød stråling. En ekstra fordel er, at strukturerne dannes spontant. Under de rette kemiske betingelser organiserer guldnanopartiklerne sig selv til kugler uden brug af komplicerede monteringsudstyr eller litografi.
Processen foregår i praksis sådan her:
- Først fremstilles en opløsning med guldnanopartikler af varierende størrelser
- Derefter styres betingelser som koncentration og temperatur for at tvinge selvorganisering frem
- Partiklerne klæber sig sammen til stabile flerkompetente kugler – supraballs
- Den færdige suspension med kuglerne kan påføres en enhedsoverflade som maling
- Den høje tæthed af forskelligt store partikler i én kugle sikrer dækning af et bredt spektrum
- Strukturernes stabilitet muliggør gentagen påføring uden tab af funktionalitet
Inden de eksperimentelle tests gennemførte forskerne avancerede numeriske simuleringer. De ville fastslå, hvilken diameter guldkuglerne burde have, hvordan størrelserne af de indgående nanopartikler skulle fordeles, og hvor tæt de skulle pakkes for at opnå den højeste absorptionsgrad. Computersimuleringerne antydede, at veldesignede supraballs kan absorbere over 90 procent af energien i det nyttige solspektrum – et niveau, som klassiske strukturer af individuelle nanopartikler ikke engang er tæt på.
I laboratoriet absorberede guldkuglerne næsten dobbelt så meget energi
Efter simuleringsrunden var det tid til eksperimenter. Forskerne startede ikke direkte med et solcellepanel, men med en kommercielt tilgængelig termoelektrisk generator – en enhed, der omdanner temperaturforskelle til elektrisk energi.
Overfladen blev belagt med en væske indeholdende supraballs. Da væsken tørrede, opstod et tyndt guldlag. Derefter belyste de hele enheden under kontrollerede forhold med en speciel LED-simulator, der efterligner solspektret.
Med dette lag absorberede enheden cirka 89 procent af den indfaldende stråling. Den samme generator belagt med en konventionel film af guldnanopartikler opfangede kun omkring 45 procent af energien. Forskellen er spektakulær – i det mindste i laboratoriet. Vi taler om næsten dobbelt så høj absorption, opnået udelukkende ved at ændre strukturen af de samme råmaterialer, uden at opfinde eksotiske eller sjældne stoffer.
Til sammenligning opnår traditionelle monokrystallinske siliciumpaneler en virkningsgrad på cirka 22 procent. Hvis guldnanokuglerne kan overføre et tilsvarende absorptionsspring til virkelige forhold på hustage, kan det betyde en revolution inden for energisektoren. Forskerne er dog fortsat forsigtige og understreger den lange vej fra laboratoriets prototyper til masseproduktion.
Hvorfor guldkugler måske ikke er så dyre, som det lyder
Ved første øjekast kan idéen om at forstærke solpaneler med et dyrt ædelmetaller lyde som en vittighed. I nanometerskala er situationen en helt anden. Guld besidder exceptionelt stabile kemiske egenskaber, oxiderer ikke som sølv og bevarer en meget markant plasmonisk effekt.
Det afgørende er, at metalmængden er forsvindende lille. Vi taler om ultratynd lag, usynlige for det blotte øje. Materialeomkostningerne kan i praksis vise sig acceptable, hvis panelerne til gengæld leverer markant mere energi fra det samme tagareal eller den samme solfarm.
Modnes teknologien, kan den teoretisk kombineres ikke blot med klassisk silicium, men også med næste generations celler – eksempelvis tandemstrukturer af silicium og perovskitter, der allerede i dag lover at overskride 30 procents virkningsgrad. Forskere arbejder på lignende kombinationer og tror, at fremtidens fotovoltaik netop ligger i hybridstrukturer.
Holdet undersøger desuden, om billigere metaller med lignende plasmoniske egenskaber, som aluminium eller kobber, kunne erstatte guldet. Hidtil har ingen af dem dog kunnet matche guldets stabilitet og effektivitet i nanometerstørrelse.
Hvilke forhindringer venter guldkuglerne på vejen til tagene
Det lyder som en opskrift på en revolution inden for fotovoltaik, men studiets forfattere dæmper forventningerne. De lover hverken, at teknologien hurtigt vil løfte panelets virkningsgrad fra 20 til 40 procent, eller at du om lidt kan købe moduler med supraballs i den nærmeste butik.
Vejen fra en videnskabelig publikation til et produkt på et hustag kan tage år eller årtier. Mange teknologier forlader aldrig laboratoriet, fordi de viser sig at være for dyre, for komplicerede at producere eller simpelthen taber til konkurrerende løsninger. Solcellemarkedet er modent og domineret af store aktører. Enhver ny løsning skal ikke blot fungere bedre, men også passe ind i eksisterende produktionslinjer, være billig, robust over for regn, frost og varme – og miljøsikker.
De største spørgsmål for de kommende år er:
- Om supraballs kan produceres i stor skala, ensartet og uden drastisk øgede moduleomkostninger
- Hvordan et sådant lag klarer fugt, smog, ridser og langvarig UV-stråling
- Om brugen af guld, selv i nanometermængder, vil udgøre en omkostningsmæssig flaskehals for store solfarmer
- Hvordan strukturerne integreres med klassisk silicium eller nye perovskitceller
- Om producenter vil vise interesse for licensiering af teknologien
- Hvor hurtigt forskerne kan skalere fra laboratoriemålestok til pilotproduktion
For den almindelige bruger handler det primært om to ting: hvor meget elektricitet der kan produceres fra et tilgængeligt areal, og hvad hver ekstra watt effekt koster. Hvis guldnanokuglerne giver panelerne på det samme hustag mulighed for at generere mærkbart mere energi, bliver investeringen i solceller mere attraktiv – uden at man behøver at tilføje flere kvadratmeter moduler.
Guldnanokugler kan finde anvendelse langt ud over hustage
Set fra elnetets perspektiv betyder højere virkningsgrad ved samme areal også bedre udnyttelse af jord til solfarmer og mindre pres på at inddrage nye arealer. Hvert ekstra procentpoint virkningsgrad omsættes til konkrete megawatt fra det samme stykke land.
Det er værd at bemærke, at teknologier af denne type ofte finder uventede sideapplikationer. Lag med meget høj absorption egner sig til præcisionssensorer, små generatorer til forsyning af tingenes internet eller bærbare enheder, der høster energi fra dagslys hele dagen. Forskere tester allerede lignende anvendelser inden for områder fra medicinske implantater til autonome meteorologiske stationer.
For alle, der følger udviklingen inden for grøn energi, er eksemplet med de koreanske guldkugler en god påmindelse om, at solcellernes potentiale ikke er udtømt med nye vekselrettere eller forbedrede modulserier. En enorm del af spillet handler stadig om ren fysik og materialer – og det er netop i laboratorierne, at afgørelserne om, hvilke teknologier der om ti eller tyve år vil pryde vores hustage, allerede træffes i dag.
