Lille guld, stor effekt
Med bittesmå gyldne kugler ønsker sydkoreanske forskere at overskride en tilsyneladende ubrydelig fysisk grænse inden for solenergi. Teknikken bygger på selvdannende guldstrukturer kaldet "supraballs" og kan potentielt revolutionere, hvor meget energi vi henter fra solen.
Moderne solpaneler udnytter kun en brøkdel af sollyset
Solen leverer hvert sekund mere end nok energi til at forsyne hele verden i en time. Alligevel omsætter selv de bedste kommercielle solpaneler – typisk fremstillet af monokrystallinsk silicium – kun omkring 20 til 22 procent af sollyset til elektricitet. Resten forsvinder som varme eller reflekteres simpelthen væk.
Forklaringen ligger i lysets fysik. Sollys består af et bredt spektrum af bølgelængder, fra ultraviolet til nær-infrarød. Siliciumceller reagerer kun på en relativt smal del af dette spektrum, og alt det øvrige lys går til spilde.
En stor del af den gratis solenergi går stadig tabt – simpelthen fordi lyset har den forkerte "farve" for solcellen.
Denne begrænsning kendes som Shockley-Queisser-grænsen: en teoretisk maksimaleffektivitet for en klassisk solcelle med én type halvleder. I årtier har forskere søgt måder at nærme sig denne grænse eller omgå den helt, blandt andet via flerlags-celler, nye materialer og smarte optiske metoder.
Guld opfører sig fuldstændig anderledes på nanoplan
Det seneste gennembrud stammer fra et forskerhold ved Korea University. De koncentrerer sig om mikroskopiske guldpartikler, der er mindre end et virus. På denne skala udviser guld egenskaber, der er fundamentalt anderledes end dem vi kender fra smykker eller guldbarrer.
Nøglen er et fænomen kaldet "lokaliseret overfladeplasmonsresonans". Det lyder komplekst, men princippet er enkelt: frie elektroner i metallet begynder at svinge i takt med det indkommende lys, hvilket gør partiklerne ekstremt effektive til at opfange lys ved én bestemt bølgelængde.
- Hver guldpartikel absorberer primært én bestemt farve lys
- Den absorberede farve afhænger direkte af partikelstørrelsen
- Hvor normalt metal primært reflekterer, opsluger disse nanopartikler lyset
Problemet med enkeltpartikler er dog, at hver enkelt kun dækker et smalt udsnit af solspektret. For at fange et bredt bånd af bølgelængder er man nødt til at kombinere mange forskellige størrelser.
Fra løse korn til gyldne "supraballs"
Her kommer det koreanske holds opdagelse ind i billedet. I stedet for at arbejde med identiske partikler blandede de guldnanopartikler i varierende størrelser og observerede, hvad der skete, da de bragte dem sammen under de rette betingelser.
Partiklerne viste sig at organisere sig selv til kompakte kugler: tredimensionelle klynger bygget op af en blanding af små og større nanopartikler. Holdet kaldte disse strukturer "supraballs". Dannelsen sker spontant – der kræves hverken avanceret litografi eller dyr nanofabrikation.
Hver supraball fungerer som en miniature-solsvamp: hver enkelt guldpartikel i kuglen fanger en anden farve lys, og tilsammen dækker de næsten hele spektret.
Ved hjælp af computermodeller beregnede forskerne, hvilken kombination af partikelstørrelser og kuglediametre der giver det bedste resultat. Simuleringerne forudsiger, at sådanne supraballs kan absorbere over 90 procent af de relevante bølgelængder i solspektret.
Fra computer til laboratorium: næsten dobbelt så meget lys fanget
Simuleringer er interessante, men i solenergiindustrien tæller kun de praktiske resultater. Derfor testede holdet supraballs på en kommerciel termoelektrisk generatorplade – en sensor, der omsætter temperaturforskelle til strøm.
De påførte en flydende suspension med supraballs på overfladen og lod den tørre til en tynd film. Derefter belyste de konstruktionen med en kunstig sol via en LED-solesimulator.
Resultaterne var slående:
| Type belægning | Lysabsorption |
|---|---|
| Konventionelle guldnanopartikler | ca. 45% |
| Gyldne supraballs | ca. 89% |
Det svarer til en næsten fordobling af det absorberede lys – opnået udelukkende gennem den intelligente opbygning af guldpartiklerne. Supraballs rammer dermed tæt på de forudsagte 90 procent fra simuleringerne.
Ikke på dit tag i morgen, men en seriøs kandidat
Resultaterne lyder spektakulære, men forskerne er selv forsigtige med konklusionerne. De hævder ikke, at solpaneler pludselig vil levere dobbelt så meget strøm, eller at teknologien er klar til masseproduktion.
For at kunne anvendes på rigtige solpaneler skal supraballs eksempelvis:
- Forblive stabile over lang tid i regn og sol
- Tåle temperaturudsving og fugt
- Være kompatible med eksisterende produktionslinjer for solpaneler
- Være økonomisk rentable på trods af guldets råvarepris
Solindustrien er et modent marked med snævre margener og hård konkurrence. Producenter skifter ikke bare til en ny belægning, hvis den komplicerer produktionen eller gør panelet dyrere end konkurrenternes.
Hvordan kan det fungere på solpaneler i praksis?
Den mest oplagte anvendelse er som et ekstra lysopsamlingslag oven på eksisterende solceller. En sådan film med supraballs kan sprede lyset og omdanne det til bølgelængder, som siliciumceller håndterer bedre. Samtidig skal laget forblive tilstrækkeligt tyndt til, at nok lys når ned til halvlederen.
Forskerne kan afprøve flere scenarier:
- En belægning direkte på glaspladen foran solcellen
- En tynd film placeret mellem glas og silicium
- Kombinationer med antireflekslag, som allerede er standard i dag
Teknologien er desuden interessant for termoelektriske generatorer, koncentratorsolceller og rumfartssensorer, hvor hvert ekstra procentpoint i energiudbytte ofte vejer tungere end materialeomkostningerne.
Knudepunktet: guld, skalerbarhed og alternativer
Valget af guld er ikke tilfældigt. Guld er kemisk stabilt, oxiderer ikke nemt og besidder fremragende optiske egenskaber på nanoplan. Guldprisen er dog et åbenlyst opmærksomhedspunkt, hvis teknologien en dag skal skaleres op til millioner af paneler.
Et logisk næste skridt er derfor at undersøge lignende strukturer med billigere metaller som aluminium eller kobber, eller med metallegeringer. De når sjældent helt samme præstationsniveau som guld, men kan i masseproduktion vise sig langt mere attraktive.
Den egentlige innovation ligger ikke så meget i selve materialet, men i idéen om selvorganiserende, flerfarvet nanokulер, der tilsammen danner ét bredt lysnet.
Den måde, partiklerne organiserer sig selv på, er også relevant for andre fagområder. Lignende selvsamlingsprincipper kan finde anvendelse inden for sensorer, medicinsk billeddannelse og LED-belysning, hvor kontrol over specifikke bølgelængder bliver stadig vigtigere.
Hvad betyder det for husstande og den grønne omstilling?
Boligejere behøver foreløbig ikke ombygge deres tag. De paneler, der er på markedet i dag, forbliver standarden i mange år endnu. Til gengæld viser denne forskning, at der stadig er betydelige gevinster at hente på den optiske side af solcelleteknologien.
For den grønne omstilling er sådanne innovationer interessante af to årsager. For det første kan blot et par procentpoint ekstra effektivitet pr. panel globalt set spare enormt meget plads. For det andet gør et højere udbytte pr. kvadratmeter solparker i tæt befolkede områder langt mere attraktive.
Den, der vil følge udviklingen, bør holde øje med forskningsprojekter inden for plasmoniske solceller, nanostrukturerede belægninger og spektrumstyring til PV-systemer. Det er her, supraballs og lignende koncepter i sidste ende lander – uanset om de er lavet af guld, kobber eller et helt andet materiale.
For dem, der undrer sig over, om guld i solen ikke bare smelter: laget består af ekstremt tynde strukturer med en forsvindende lille masse. Den termiske belastning på den underliggende solcelle er derfor et langt vigtigere spørgsmål end selve guldets opførsel. Langtidstests under udendørs forhold skal vise, hvor stabile præstationerne forbliver over år – frem for blot timer i en laboratorieopsætning.
