En koreansk forskargrupp har skapat guldstrukturer som fångar nästan hela solspektrumet
Forskare vid Korea University har tagit fram mikroskopiska självorganiserande strukturer av guld som kan absorbera nästan hela det användbara solspektrumet. Om tekniken håller måttet utanför laboratoriet kan den fundamentalt förändra marknaden för förnybar energi.
Solen levererar varje sekund en kolossal mängd energi till jordens yta – betydligt mer än hela mänskligheten förbrukar under samma tid. Trots detta lyckas vanliga solpaneler bara utnyttja en bråkdel av denna strålning.
De bästa kommersiellt tillgängliga panelerna av monokristallint kisel uppnår idag en verkningsgrad på ungefär 20–22 procent. Av all energi som träffar en takpanel omvandlas alltså bara en femtedel till el. Resten försvinner som reflekterat ljus eller värme utan nytta.
En fysikalisk gräns håller tillbaka kiselsolcellerna
Det handlar inte om tillverkarnas fel utan om en fysikalisk tröskel känd som Shockley-Queisser-gränsen. Kisel kan effektivt bearbeta bara ett smalt segment av solspektrumet. Ljusvågor med andra längder passerar rakt igenom, reflekteras eller värmer upp cellen i stället för att generera elektroner. Forskare har i åratal sökt efter sätt att bryta igenom denna barriär och utvinna betydligt mer el från varje kvadratmeter panel.
Hur guldnanopartiklar beter sig annorlunda än vanligt metall
Sedan tidigt 2000-tal har vetenskapsmän experimenterat med guld i nanometerskala, eftersom materialet på den nivån uppför sig helt annorlunda än en vanlig guldtacka. Det centrala fenomenet kallas lokaliserad ytplasmonresonans, förkortat LSPR.
När ljus träffar en guldnanopartikel börjar elektronmolnet på partikeln yta vibrera med en frekvens som gör att partikeln inte bara reflekterar utan absorberar ljus mycket effektivt. Den fungerar ungefär som en miniatyrantenn inställd på en specifik våglängd.
Problemet är att varje enskild nanopartikel reagerar bäst på ett smalt färgband, beroende på dess storlek. En fångar nära infrarött ljus, en annan grönt eller rött ljus bäst. En ensam partikel är alltså en utmärkt absorbator, men bara för en liten del av solspektrumet. Forskargruppen vid Korea University sökte därför efter ett sätt att skapa en struktur som kan fånga hela det användbara spektrumet på en gång.
Suprabollar samlar dussintals nanopartiklar av olika storlek i en enda sfär
Teamet vände denna svaghet till en styrka. I stället för att arbeta med enskilda nanopartiklar av samma storlek kombinerade forskarna många partiklar av varierande dimensioner till en enda större sfär. Dessa strukturer döpte de till supraballs.
Tanken är elegant: varje nanopartikel i sfären har en annan storlek och är därmed inställd på en annan våglängd. Hela sfären kan följaktligen absorbera ljus från ett brett spektrum – från kortare våglängder ända till nära infrarött. En ytterligare fördel är att dessa strukturer bildas spontant. Under rätt kemiska förhållanden organiserar guldnanopartiklarna sig av sig själva till sfärerna, utan behov av komplicerade monteringsprocesser eller litografi.
Processen går till så här:
- Först skapas en lösning med guldnanopartiklar av olika storlekar
- Sedan kontrolleras betingelser som koncentration och temperatur för att tvinga fram självorganisering
- Partiklarna binds samman till stabila flerkompositsfärer – supraballs
- Den färdiga suspensionen med sfärerna kan appliceras som ett flytande skikt på en ytenhet
- Den höga tätheten av olika stora partiklar i en och samma sfär säkerställer bred spektrumtäckning
- Strukturernas stabilitet möjliggör upprepad applicering utan att funktionen försämras
Innan de experimentella testerna genomförde forskargruppen avancerade numeriska simuleringar. De ville fastställa optimal sfärdiameter, hur storleksfördelningen hos nanopartiklarna bör se ut och hur tätt de ska packas för att uppnå högsta möjliga absorption. Datormodellerna visade att väldesignade supraballs kan absorbera mer än 90 procent av energin inom det användbara solspektrumet – en nivå som klassiska strukturer av enskilda nanopartiklar inte ens kan drömma om.
I laboratoriet absorberade guldsfärerna nästan dubbelt så mycket energi
Efter simuleringarna var det dags för verkliga experiment. Forskarna började inte direkt med solpaneler utan med en kommersiellt tillgänglig termoelektrisk generator – en enhet som omvandlar temperaturskillnader till elektrisk energi.
På generatorns yta applicerade de en vätska innehållande supraballs. När vätskan torkat bildades ett tunt guldskikt. Sedan belyste de enheten under kontrollerade förhållanden med en speciell LED-simulator som efterliknar solspektrumet.
Med detta skikt absorberade enheten ungefär 89 procent av den infallande strålningen. Samma generator täckt med ett konventionellt nanopartikelskikt av guld fångade bara runt 45 procent av energin. Skillnaden är spektakulär, åtminstone i laboratoriet. Vi talar om nästan dubbelt så hög absorption, uppnådd enbart genom att ändra strukturen på samma råmaterial – utan att uppfinna nya exotiska eller sällsynta material.
Till jämförelse: traditionella paneler av monokristallint kisel från ledande tillverkare uppnår en verkningsgrad på ungefär 22 procent. Om guldnanosfärerna kan leverera ett liknande absorptionslyft även under verkliga förhållanden på hustak, skulle det kunna innebära en revolution inom energisektorn. Forskarna håller dock volymen nere och påpekar att vägen från laboratorieprototyp till massproduktion är lång.
Varför guldsfärerna kanske inte är så dyra som de låter
Vid första anblick kan idén om att förstärka solpaneler med ett dyrt ädelmetall verka absurd. Men i nanometerskala ser situationen annorlunda ut. Guld har exceptionellt stabila kemiska egenskaper, oxiderar inte som silver och bibehåller en mycket kraftfull plasmoneffekt.
Det avgörande är att mängden metall som används är försumbar. Vi talar om ultratunna skikt som är osynliga för blotta ögat. Materialkostnaderna kan i praktiken vara acceptabla om panelerna tack vare skiktet levererar väsentligt mer energi från samma takyta eller solpark.
Om tekniken mognar kan den teoretiskt kombineras inte bara med klassiskt kisel utan även med nästa generations solceller – till exempel tandemstrukturer av kisel plus perovskiter, som redan i dag lovar att överskrida 30 procents verkningsgrad. Forskare vid ledande energilaboratorier arbetar på liknande kombinationer och tror att framtidens solceller ligger i just sådana hybridstrukturer.
Forskargruppen undersöker också om billigare metaller med liknande plasmonegenskaper – exempelvis aluminium eller koppar – skulle kunna ersätta guld. Hittills erbjuder dock ingen av dem samma stabilitet och effektivitet som guld i nanometerskala.
Vilka hinder väntar guldsfärerna på vägen till taken
Det låter som ett recept på en solcellsrevolution, men studiens egna upphovsmän dämpar förväntningarna. De lovar varken att tekniken snabbt ska höja verkningsgraden från 20 till 40 procent eller att moduler med supraballs snart dyker upp i första bästa butik.
Resan från vetenskaplig publikation till en produkt på hustak kan ta år eller hela decennier. En del tekniker lämnar aldrig laboratoriet – de visar sig vara för dyra, för komplicerade att tillverka, eller förlorar helt enkelt mot konkurrenter. Solcellsmarknaden är mogen och domineras av stora aktörer. Varje nytt material måste inte bara fungera bättre, det måste också passa in i befintliga tillverkningslinjer, vara kostnadseffektivt, tåla regn, frost och värme samt vara miljösäkert.
De viktigaste frågorna för de kommande åren:
- Om supraballs kan tillverkas i stor skala, repeterbart och utan dramatisk kostnadsökning per modul
- Hur ett sådant skikt klarar fukt, smog, repor och långvarig UV-strålning
- Om användningen av guld, ens i nanomängder, blir en kostnadsmässig flaskhals för stora solparker
- Hur dessa strukturer ska integreras med klassiskt kisel eller de nya perovskitcellerna
- Om ledande tillverkare visar intresse för att licensiera tekniken
- Hur snabbt forskarna kan skala upp från laboratorienivå till pilotproduktion
För en vanlig konsument spelar framför allt två saker roll: hur mycket el som kan produceras på tillgänglig yta och vad varje extra watt kostar. Om guldnanosfärerna gör att panelerna på samma tak genererar märkbart mer energi, blir investeringen i solceller lönsammare – utan att en enda extra kvadratmeter panel behöver läggas till.
Guldnanosfärerna kan hitta användning även bortom taken
Ur elnätsperspektiv innebär högre verkningsgrad per ytenhet också bättre markanvändning för solparker och mindre press på att ta i anspråk ny mark. Varje extra procentenhet i verkningsgrad omsätts i konkreta megawatt från samma tomtyta.
Det är värt att nämna att tekniker av den här typen ofta hittar oväntade sidoapplikationer. Skikt med mycket hög absorption lämpar sig för precisionssensorer, små generatorer för strömförsörjning av Internet of Things-enheter eller bärbara prylar som samlar energi från dagsljus hela dagen lång. Liknande tillämpningar testas redan inom allt från medicinska implantat till autonoma väderstationer.
För den som följer den gröna energins utveckling är exemplet med koreanska guldsfärer en bra påminnelse om att solcellernas potential inte tar slut vid ett byte av växelriktare eller en ny modulserie. En enorm del av spelet handlar fortfarande om ren fysik och materialvetenskap – och det är just där, i laboratorierna, som besluten fattas om vilka tekniker som når våra tak om tio eller tjugo år.
