Gyllene nanokulor ska revolutionera solcellers effektivitet – Pasta Party

Banbrytande teknik fångar betydligt mer solljus än tidigare möjligt

En metod baserad på så kallade suprakulor skulle potentiellt kunna fånga upp en mycket större andel av solspektrumet och därmed utgöra grunden för avsevärt kraftfullare solenergianläggningar. Arbetet pågår fortfarande i laboratorium, men resultaten har redan väckt uppmärksamhet bland solenergiexperter runt om i världen.

Varför slösar dagens solceller bort så mycket solenergi?

Solen skickar varje sekund enorma mängder energi mot jorden. I teorin tillräckligt för att täcka hela världens elbehov på bara ett par timmar. Men i praktiken utnyttjar solceller endast en bråkdel av detta ljus effektivt.

De allra flesta solceller tillverkas av kisel, som reagerar väl på ett begränsat urval av våglängder i det synliga ljuset. Resten av solspektrumet – från ultraviolett till nära-infrarött – reflekteras mestadels eller omvandlas till värme som är oanvändbar för elproduktion.

Denna fysiska begränsning, känd som Shockley-Queisser-gränsen, håller högpresterande solceller fast vid en verkningsgrad på omkring 20 till 22 procent. En stor del av den kostnadsfria solenergin går alltså fortfarande förlorad.

Guld beter sig helt annorlunda i nanoskala än som guldtacka

Forskare från Korea University menar sig ha hittat en smart lösning med hjälp av guld – men i extremt små partiklar. I nanoskala får guld en särskild optisk egenskap kallad lokal ytplasmonresonans, ofta förkortat LSPR.

Via LSPR börjar de fria elektronerna i guldet vibrera när ljus träffar dem. Det resulterar inte bara i reflektion, utan framför allt i en mycket effektiv absorption av ljus vid bestämda våglängder.

Guld i nanopartiklar uppslukar ljus som en vanlig guldtacka helt enkelt skulle reflektera.

Denna känslighet beror dock starkt på storleken hos varje enskild partikel. En enda guldnanopartikel ”ser” endast ett smalt färgintervall av solljuset. Det är praktiskt för exempelvis sensorer, men inte tillräckligt om man vill utnyttja hela solspektrumet bättre.

Suprakulor: en sorts gyllene druvklase för solljus

Det koreanska teamet – med forskarna Jaewon Lee och Seungwoo Lee i spetsen – valde därför en annan strategi. Istället för lösa partiklar tillverkar de kulor sammansatta av guldnanopartiklar i olika storlekar.

Dessa sammansatta strukturer fick beteckningen suprakulor. Principen är enkel: varje partikel i kulan täcker sitt eget segment av spektrumet, så att den samlade kulan kan fånga upp ett mycket bredare band av ljus.

• Små nanopartiklar: känsliga för kortare våglängder (blått, violett, delvis UV)
• Medelstora partiklar: primärt aktiva i det gröna och gula området
• Större partiklar: reagerar bäst på rött och nära-infrarött ljus

När dessa partiklar klumpar ihop sig bildas en mikroskopisk kula med ett slags ”flerkanalsantenn” för ljus. En extra fördel är att suprakulor inte behöver sättas samman manuellt. Under rätt betingelser i rätt vätska bildas de spontant av sig själva.

Först beräkningar, sedan experiment

Innan forskarna gick in i laboratoriet körde de datorsimuleringar av sin idé. Därmed kunde de fastställa den idealiska kuldiametern och den inbördes fördelningen av partiklarna utan att behöva genomföra dyra försök med en gång.

Modellerna var tydliga: väldesignade suprakulor borde kunna absorbera mer än 90 procent av de relevanta våglängderna i solljuset. Det är markant mer än vad konventionella ytbehandlingar uppnår.

Från teori till praktik: nästan dubbelt så mycket ljus absorberat

Därefter följde det praktiska testet. Forskarna applicerade en vätska med suprakulor på en kommersiell termoelektrisk enhet – en sorts sensor som omvandlar temperaturskillnader till elektricitet. Efter torkning satt ett tunt guldfärgat filmskikt kvar på ytan.

Under en artificiell sol via en LED-solsimulator jämförde de denna enhet med en identisk enhet som endast var belagd med klassiska guldnanopartiklar. Skillnaden var slående:

Suprakulskiktet fångade alltså upp nästan dubbelt så mycket ljus som den klassiska nanopartikelfilmen. Med forskaren Seungwoo Lees egna ord: suprakulor erbjuder en enkel väg för att infånga nästan hela solspektrumet.

Ingen mirakelsolcell till taket – åtminstone inte ännu

Teamet varnar dock själva för alltför höga förväntningar. Studien visar att ljusabsorptionen ökar dramatiskt, men säger ingenting om en fördubbling av den totala verkningsgraden för solceller på tak eller i solparker.

En solcell är mycket mer än bara en ljusfångare. Den extra absorberade energin måste också omvandlas effektivt till elektrisk ström, utan att solcellen överhettas eller slits ner snabbare. Det kräver nya skikt, bättre värmeavledning och ett omtänkande av den totala designen.

Vägen från ett imponerande laboratorieresultat till en prisvärd produkt till taket tar ofta år, ibland årtionden.

Därtill kommer att solenergimarknaden redan är fylld med mogna teknologier. Tillverkare byter inte bara ut produktionslinjer för att satsa på en riskfylld ny beläggning. Många lovande idéer har tidigare strandat i detta ”gap mellan laboratorium och fabrik”.

Var kan denna gyllene beläggning snabbt göra nytta?

Även om tillämpning på taksolceller kanske fortfarande är långt borta ser experter flera kortare vägar till praktisk användning. Suprakulor fungerar i princip på vilken yta som helst som ska omvandla ljus till värme eller energi.

Konkreta möjligheter där ett sådant superabsorberande skikt är intressant:

• Avancerade solfångare till fjärrvärmenät eller industriella processer, där ökad absorption direkt ger mer värme.
• Termoelektriska generatorer på avlägsna mätstationer eller inom rymdteknik, där varje procent extra utbyte räknas.
• Fotodetektorer och sensorer med behov av extrem känslighet, exempelvis i medicinsk utrustning eller miljömätningar.
• Kompakta solladdare för specialiserad professionell användning, där energitäthet väger tyngre än pris.

I sådana nischsammanhang är guld som material ett mindre problem, eftersom de nödvändiga ytorna är små och det högre priset kan försvaras.

Hur dyrt är guldet egentligen, och vad betyder nano?

Guld låter kostsamt, men i nanoskala behövs förvånansvärt lite av det. Partiklarna är typiskt endast några tiotal nanometer stora, så ett mikrometer tunt skikt kan vara tillräckligt för att skapa en tydlig effekt. Ändå är materialpriset en faktor att uppmärksamma när man tänker på massproduktion.

För de flesta är skalan svår att föreställa sig. En nanometer är en miljarddels meter. Ett människohår är ungefär 70 000 till 100 000 nanometer tjockt. En guldnanopartikel från denna typ av forskning ryms alltså många tusen gånger i tjockleken på ett hårstrå. Det är just i denna skala som kända metaller börjar uppträda på helt oväntade sätt.

Vad denna upptäckt betyder för solenergiens framtid

De koreanska suprakulorna visar framför allt att det fortfarande finns enormt mycket utrymme att utnyttja solljuset mer intelligent. Medan solceller idag endast ”gillar” ett begränsat färgintervall arbetar vetenskapen på sätt att utnyttja så många fotoner som möjligt – helst via tunna beläggningar som kan läggas ovanpå befintlig teknologi.

De kommande åren kommer att visa om suprakulor kan kombineras med moderna solcellsmaterial som perovskit eller tandemceller. Lyckas den kopplingen kan ett sådant gyllene nanoskikt kanske göra skillnaden mellan ett litet effektivitetssprång och en märkbart kraftfullare solcell.

För hushåll och företag förändras ingenting idag. Men den som följer med i energinyheter ser allt oftare den här sortens smarta nanotek-trick dyka upp: från texturer som håller kvar ljus till skikt som släpper igenom specifika färger eller uppslukar dem. Gyllene suprakulor passar perfekt in i denna trend inom optisk mikroarkitektur, som steg för steg försöker lyfta solceller ur deras nuvarande effektivitetstak.