En ny teknologi kan fange langt mere sollys end hidtil muligt
En teknik baseret på såkaldte supraballs kunne potentielt opfange en meget større del af solspektret og dermed danne grundlaget for langt kraftigere solenergianlæg. Det drejer sig stadig om laboratoriearbejde, men resultaterne har allerede vakt opsigt blandt solenergieksperter verden over.
Hvorfor spilder nutidens solceller så meget solenergi?
Solen sender hvert sekund enorme mængder energi mod Jorden. I teorien nok til at dække hele verdens elforsyning på blot et par timer. Men i praksis udnytter solceller kun en brøkdel af dette lys effektivt.
De fleste solceller er fremstillet af silicium, som reagerer godt på et begrænset udvalg af bølgelængder i det synlige lys. Resten af solspektret – fra ultraviolet til nær-infrarødt – reflekteres for det meste eller omdannes til varme, der er ubrugelig til strømproduktion.
Denne fysiske begrænsning, kendt som Shockley-Queisser-grænsen, holder toppræsterende solceller fast på en virkningsgrad på omkring 20 til 22 procent. En stor del af den gratis solenergi går altså stadig tabt.
Guld opfører sig helt anderledes i nanoskala end som guldbar
Forskere fra Korea University mener at have fundet en smart løsning ved hjælp af guld – men i ekstremt små partikler. I nanoskala får guld en særlig optisk egenskab kaldet lokal overfladeplasmonresonans, ofte forkortet LSPR.
Via LSPR begynder de frie elektroner i guldet at vibrere, når lys rammer dem. Det resulterer ikke blot i refleksion, men frem for alt i en meget effektiv absorption af lys ved bestemte bølgelængder.
Guld i nanopartikler opsluger lys, som en almindelig guldbar simpelthen ville reflektere.
Denne følsomhed afhænger dog stærkt af størrelsen på hver enkelt partikel. En enkelt guldnanopartikel "ser" kun et smalt farveinterval af sollyset. Det er praktisk til eksempelvis sensorer, men ikke tilstrækkeligt, hvis man vil udnytte hele solspektret bedre.
Supraballs: en slags gylden drueklase til sollys
Det koreanske hold – med forskerne Jaewon Lee og Seungwoo Lee i spidsen – valgte derfor en anden tilgang. I stedet for løse partikler fremstiller de kugler sammensat af guldnanopartikler i forskellige størrelser.
Disse sammensatte strukturer fik betegnelsen supraballs. Princippet er enkelt: hver partikel i kuglen dækker sit eget segment af spektret, så den samlede kugle kan opfange et langt bredere bånd af lys.
- Små nanopartikler: følsomme over for kortere bølgelængder (blåt, violet, delvist UV)
- Mellemstore partikler: primært aktive i det grønne og gule område
- Større partikler: reagerer bedst på rødt og nær-infrarødt lys
Når disse partikler klumper sig sammen, dannes en mikroskopisk kugle med en slags "flerkanalsantenne" for lys. En ekstra fordel er, at supraballs ikke behøver at samles manuelt. Under de rette betingelser i den rigtige væske dannes de spontant af sig selv.
Først beregninger, derefter eksperimenter
Inden forskerne gik i laboratoriet, kørte de computersimuleringer af deres idé. Dermed kunne de fastlægge den ideelle kuglediameter og den indbyrdes fordeling af partiklerne uden at skulle foretage dyre forsøg med det samme.
Modellerne var klare: veldesignede supraballs burde kunne absorbere mere end 90 procent af de relevante bølgelængder i sollyset. Det er markant mere end hvad konventionelle overfladebehandlinger opnår.
Fra teori til praksis: næsten dobbelt så meget lys absorberet
Derefter fulgte den praktiske test. Forskerne påførte en væske med supraballs på en kommerciel termoelektrisk enhed – en slags sensor, der omsætter temperaturforskelle til elektricitet. Efter tørring sad der et tyndt guldfarvat filmlag tilbage på overfladen.
Under en kunstig sol via en LED-solsimulator sammenlignede de denne enhed med en identisk enhed, der kun var belagt med klassiske guldnanopartikler. Forskellen var slående:
| Type belægning | Målt lysabsorption |
|---|---|
| Konventionelle guldnanopartikler | cirka 45% |
| Supraballs af guldnanopartikler | cirka 89% |
Supraball-laget opfangede altså næsten dobbelt så meget lys som den klassiske nanopartikkelfilm. Med forsker Seungwoo Lees egne ord: supraballs tilbyder en enkel vej til at indfange næsten hele solspektret.
Intet mirakelsolcelle til taget – i hvert fald ikke endnu
Holdet advarer dog selv mod alt for høje forventninger. Studiet viser, at lysabsorptionen stiger dramatisk, men siger ingenting om en fordobling af den samlede virkningsgrad for solceller på tage eller i solparker.
En solcelle er meget mere end blot en lysfanger. Den ekstra absorberede energi skal også omsættes effektivt til elektrisk strøm, uden at solcellen overophedes eller slides hurtigere ned. Det kræver nye lag, bedre varmeafledning og en omtænkning af det samlede design.
Vejen fra et flot laboratorieresultat til et prisvenligt produkt til taget tager ofte år, sommetider årtier.
Hertil kommer, at solenergimarkedet allerede er fyldt med modne teknologier. Producenter skifter ikke bare produktionslinjer ud for at satse på en risikofyldt ny belægning. Mange lovende idéer er tidligere strandet i dette "hul mellem laboratorium og fabrik".
Hvor kan denne gyldne belægning hurtigt gøre nytte?
Selvom anvendelse på tagsolceller måske stadig er langt væk, ser eksperter flere kortere veje til praktisk brug. Supraballs fungerer i princippet på enhver overflade, der skal omsætte lys til varme eller energi.
Konkrete muligheder, hvor et sådant superabsorberende lag er interessant:
- Avancerede solfangere til fjernvarmenet eller industrielle processer, hvor øget absorption direkte giver mere varme.
- Termoelektriske generatorer på afsidesliggende målestationer eller i rumfartsteknologi, hvor hver procent ekstra udbytte tæller.
- Fotodetektorer og sensorer med behov for ekstrem følsomhed, eksempelvis i medicinsk udstyr eller miljømålinger.
- Kompakte solopladere til specialiseret professionelt brug, hvor energitæthed vejer tungere end pris.
I sådanne nichesammenhænge er guld som materiale et mindre problem, da de nødvendige overflader er små og den øgede pris kan forsvares.
Hvor dyrt er guldet egentlig, og hvad betyder nano?
Guld lyder kostbart, men i nanoskala er der overraskende lidt brug for det. Partiklerne er typisk kun nogle få titals nanometer store, så et mikrometertyndt lag kan være tilstrækkeligt til at skabe en tydelig effekt. Alligevel er materialeprisen et opmærksomhedspunkt, når man tænker på masseproduktion.
For de fleste er skalaen svær at forestille sig. Én nanometer er en milliardtedel meter. Et menneskehår er omtrent 70.000 til 100.000 nanometer tykt. En guldnanopartikel fra denne type forskning passer altså mange tusinde gange ind i tykkelsen af et hår. Det er netop i denne skala, at kendte metaller begynder at opføre sig på helt uventede måder.
Hvad denne opdagelse betyder for solenergienes fremtid
De koreanske supraballs viser frem for alt, at der stadig er enormt meget rum til at udnytte sollyset mere intelligent. Mens solceller i dag kun "kan lide" et begrænset farveinterval, arbejder videnskaben på måder at udnytte så mange fotoner som muligt – helst via tynde belægninger, der kan lægges oven på eksisterende teknologi.
De kommende år vil vise, om supraballs kan kombineres med moderne solcellematerialer som perovskit eller tandemceller. Lykkes den kobling, kan et sådant gyldent nanolag måske gøre forskellen mellem et lille effektivitetsspring og en mærkbart kraftigere solcelle.
For husholdninger og virksomheder ændrer der sig ingenting i dag. Men den, der følger med i energinyheder, ser stadig oftere denne slags smarte nanotek-tricks dukke op: fra teksturer der holder lys fast til lag der slipper specifikke farver igennem eller opsluger dem. Gyldne supraballs passer perfekt ind i denne tendens inden for optisk mikroarkitektur, som skridt for skridt forsøger at løfte solceller ud af deres nuværende effektivitetsloft.
