Forskere fra Korea University har skabt miniature guldstrukturer, der opfanger næsten hele solspektret
Et hold forskere fra Korea University har udviklet selvorganiserende mikrostrukturer af guld, som er i stand til at absorbere næsten hele det nyttige solspektrum. Hvis teknologien holder stand uden for laboratoriet, kan den fundamentalt forandre markedet for vedvarende energi.
Solen leverer hvert sekund en enorm mængde energi til Jorden – langt mere end hele menneskeheden forbruger i samme tidsrum. Og alligevel udnytter almindelige solceller kun en brøkdel af denne stråling.
De bedste kommercielt tilgængelige paneler af monokrystallinsk silicium opnår i dag en virkningsgrad på omtrent 20–22 procent. Kun en femtedel af den samlede energi, et hustagpanel modtager, omsættes faktisk til elektricitet. Resten forsvinder som reflekteret lys eller spildvarme.
Det er ikke en fejl hos en bestemt producent, men en fysisk grænse kendt som Shockley-Queisser-grænsen. Silicium kan kun effektivt behandle et smalt udsnit af solspektret. Bølgelængder uden for dette område passerer igennem, reflekteres eller opvarmer blot cellen i stedet for at levere ekstra elektroner.
Hvordan guldnanopartikler opfører sig anderledes end almindeligt metal
Siden begyndelsen af det 21. århundrede har forskere eksperimenteret med guld i nanometerskala, fordi materialet under disse betingelser opfører sig helt anderledes end en guldklump. Det centrale fænomen kaldes lokaliseret overfladeplasmonsresonans eller LSPR.
Når stråling rammer en guldnanopartikel, begynder elektronskyen på dens overflade at vibrere med en frekvens, der gør partiklen til en yderst effektiv lysabsorbent – nærmest som en miniatureantenne indstillet på en bestemt bølgelængde.
Der er dog et problem: hver enkelt nanopartikel reagerer primært på et smalt farveinterval, som afhænger af dens størrelse. En partikel opfanger nær-infrarød stråling bedst, en anden foretrækker grønt eller rødt lys. En isoleret partikel er altså en fremragende absorbent, men kun for en lille del af solspektret.
Supraballs samler snesevis af nanopartikler af forskellig størrelse i én kugle
Holdet fra Korea University besluttede sig for at vende denne svaghed til en styrke. I stedet for at arbejde med individuelle nanopartikler af én størrelse samlede forskerne mange partikler af varierende dimensioner i en enkelt større kugle. Disse strukturer fik navnet supraballs.
Tanken er enkel: hver nanopartikel i en sådan kugle har en anden størrelse og er derfor indstillet på en anden bølgelængde. Dermed kan hele kuglen absorbere lys fra et bredt spektrum – fra kortere bølger helt til nær-infrarød stråling.
En yderligere fordel er, at disse strukturer dannes spontant. Under de rette kemiske betingelser organiserer guldnanopartiklerne sig af sig selv til kugler, uden behov for komplicerede monteringsprocesser eller litografi. I praksis ser processen sådan ud:
- først fremstilles en opløsning med guldnanopartikler af varierende størrelser
- derefter kontrolleres betingelser som koncentration og temperatur for at fremtvinge selvorganisering
- partiklerne smelter sammen til stabile flerkomponentkuler – altså supraballs
- den færdige suspension med kuglerne kan påføres som maling på overfladen af en enhed
- 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 ønskede at fastslå, hvilken diameter guldkuglerne burde have, hvordan størrelserne af de komponentpartikler skulle fordeles, og hvor tæt de skulle pakkes for at opnå den højeste absorptionsgrad. Computersimuleringerne indikerede, at veldesignede supraballs kan absorbere mere end 90 procent af energien i det nyttige solspektrum.
I laboratoriet absorberede guldkuglerne næsten det dobbelte af energimængden
Efter simuleringsserien kom tiden for eksperimenter. Forskerne startede ikke direkte med et solcelpanel, men med en kommercielt tilgængelig termoelektrisk generator – en enhed, der omsætter temperaturforskelle til elektrisk energi.
På generatorens overflade påførte de en væske indeholdende supraballs. Efter tørring opstod et tyndt guldlag. Herefter belyste de hele enheden under kontrollerede forhold ved hjælp af en specialiseret LED-simulator, der efterligner solspektret.
Med dette lag absorberede enheden cirka 89 procent af den indfaldende stråling. Den samme generator, dækket med en klassisk film af guldnanopartikler, opfangede kun omkring 45 procent af energien. Forskellen er spektakulær – i hvert fald i laboratoriet. Vi taler om næsten dobbelt så høj absorption, opnået udelukkende ved at ændre strukturen af de samme råmaterialer.
Til sammenligning opnår traditionelle monokrystallinske siliciumpaneler fra producenter som Longi Solar eller JinkoSolar en virkningsgrad på omkring 22 procent. Hvis guldnanokulerne kan overføre et tilsvarende absorptionsspring til reelle tagforhold, kunne det betyde en revolution inden for energisektoren. Forskerne er dog fortsat forsigtige og understreger den lange vej fra laboratorieprototype til masseproduktion.
Hvorfor guldkuglerne måske ikke er så dyre, som det lyder
Ved første øjekast kan idéen om at forstærke solpaneler med et dyrt ædelmetall virke absurd. I nanometerskala ser situationen anderledes ud. Guld har exceptionelt stabile kemiske egenskaber, oxiderer ikke som sølv og bevarer en meget kraftfuld plasmonisk effekt.
Det afgørende er, at mængden af metal er forsvindende lille. Vi taler om ultratynde lag, der er usynlige for det blotte øje. Materialeomkostningerne kan i praksis være acceptable, hvis panelerne til gengæld leverer markant mere energi fra det samme tag- eller farmeareal.
Hvis teknologien modnes, kan den teoretisk set kombineres ikke kun med klassisk silicium, men også med nye generationer af celler – for eksempel tandemstrukturer af silicium og perovskitter, som allerede i dag lover at overskride en virkningsgrad på 30 procent. Forskere ved National Renewable Energy Laboratory i Colorado og ved Helmholtz-Zentrum Berlin arbejder på lignende kombinationer og mener, at fremtiden for fotovoltaik netop ligger i hybridstrukturer.
Forskerne undersøger desuden, om billigere metaller med lignende plasmoniske egenskaber – eksempelvis aluminium eller kobber – kunne erstatte guld. Indtil videre tilbyder ingen af dem dog samme stabilitet og effektivitet som guld i nanometerstørrelse.
Hvilke forhindringer venter guldkuglerne på vej til tagene
Det lyder som opskriften på en revolution inden for fotovoltaik, men studiets forfattere dæmper forventningerne selv. De lover hverken, at teknologien hurtigt vil løfte panelernes virkningsgrad fra 20 til 40 procent, eller at man om kort tid kan købe moduler med supraballs i den nærmeste byggemarked.
Vejen fra en videnskabelig publikation til et produkt på taget kan tage år eller hele årtier. Mange teknologier forlader aldrig laboratoriet, fordi de viser sig at være for dyre, for komplekse at producere, eller simpelthen taber til konkurrencen. Markedet for fotovoltaik er modent og stærkt domineret af giganter som Trina Solar, Canadian Solar og First Solar. Enhver ny løsning skal ikke blot fungere bedre, men også passe ind i eksisterende produktionslinjer, være billig, modstandsdygtig over for regn, frost og varme og samtidig miljøsikker.
De største spørgsmål for de kommende år er:
- om supraballs kan fremstilles i masseproduktion, reproducerbart og uden markante prisstigninger på modulerne
- hvordan et sådant lag tåler fugt, smog, ridser og langvarig UV-stråling
- om brugen af guld, selv i nanometermængder, vil udgøre en omkostningsmæssig flaskehals for store solfarme
- hvordan disse strukturer integreres med klassisk silicium eller nye perovskitceller
- om producenter som LONGi eller Meyer Burger vil vise interesse for at licensere teknologien
- hvor hurtigt forskerne kan skalere fra laboratorieniveau til pilotproduktion
For den almindelige bruger drejer det sig primært om to ting: hvor meget elektricitet der kan produceres fra det tilgængelige areal, og hvad hvert ekstra watt effekt koster. Hvis guldnanokuglerne gør det muligt for paneler på det samme tag at generere mærkbart mere energi, vil investeringen i solceller blive langt mere attraktiv – uden at man behøver montere ekstra kvadratmeter moduler.
Guldnanokugler kan finde anvendelse langt ud over hustage
Fra elnettets perspektiv betyder højere virkningsgrad på det samme areal også bedre udnyttelse af landarealer til solfarme og mindre pres på at inddrage nye territorier. Hvert ekstra virkningsgradsprocent afspejles direkte i konkrete megawatt fra det samme jordstykke.
Det er værd at bemærke, at teknologier af denne type ofte finder uventede sidegevinster. Lag med meget høj absorption egner sig til præcisionssensorer, små generatorer til at forsyne Internet of Things-enheder eller bærbare apparater, der indsamler energi fra dagslys hele dagen. Forskere ved Massachusetts Institute of Technology og Stanford University tester allerede lignende anvendelser inden for områder fra medicinske implantater til autonome meteorologiske stationer.
For dem, der følger udviklingen inden for grøn energi, er eksemplet med guldkulerne fra Korea en god påmindelse om, at solcellepotentialet ikke er udtømt med en ny inverter eller en frisk serie af moduler. En enorm del af spillet er stadig ren fysik og materialevidenskab – og det er netop der, i laboratorierne, at afgørelserne træffes om, hvilke teknologier der ankommer til vores tage om ti eller tyve år.
