Forskare från Korea University har skapat miniatyrguldstrukturer som fångar nästan hela solspektrumet

Ett forskarteam från Korea University har tagit fram självorganiserande mikrostrukturer av guld som förmår absorbera i princip hela det användbara solspektrumet. Om tekniken håller måttet utanför laboratoriet kan den fundamentalt förändra marknaden för förnybar energi.

Solen levererar varje sekund en enorm mängd energi till jorden – betydligt mer än hela mänskligheten förbrukar under samma tidsrymd. Ändå utnyttjar vanliga solceller bara en bråkdel av denna strålning.

De bästa kommersiellt tillgängliga panelerna av monokristallin kisel når idag en verkningsgrad på ungefär 20–22 procent. Endast en femtedel av den totala energin som en takpanel tar emot omvandlas faktiskt till elektricitet. Resten försvinner som reflekterat ljus eller spillvärme.

Det handlar inte om ett fel hos en specifik tillverkare, utan om en fysisk gräns känd som Shockley-Queisser-gränsen. Kisel kan endast effektivt behandla en smal del av solspektrumet. Våglängder utanför detta område passerar igenom, reflekteras eller värmer helt enkelt upp cellen i stället för att leverera extra elektroner.

Hur guldnanopartiklar beter sig annorlunda än vanlig metall

Sedan början av 2000-talet har forskare experimenterat med guld i nanometerskala, eftersom materialet under dessa förhållanden uppvisar helt andra egenskaper än en guldklump. Det centrala fenomenet kallas lokaliserad ytplasmonresonans eller LSPR.

När strålning träffar en guldnanopartikel börjar elektronmolnet på dess yta vibrera med en frekvens som gör partikeln till en extremt effektiv ljusabsorbent – nästan som en miniatyranten inställd på en viss våglängd.

Det finns dock ett problem: varje enskild nanopartikel reagerar främst på ett smalt färgintervall som beror på dess storlek. En partikel fångar nära-infraröd strålning bäst, en annan föredrar grönt eller rött ljus. En isolerad partikel är alltså en utmärkt absorbent, men endast för en liten del av solspektrumet.

Supraballs samlar dussintals nanopartiklar av olika storlek i en kula

Teamet från Korea University bestämde sig för att vända denna svaghet till en styrka. I stället för att arbeta med individuella nanopartiklar av en storlek samlade forskarna många partiklar av varierande dimensioner i en enda större kula. Dessa strukturer fick namnet supraballs.

Tanken är enkel: varje nanopartikel i en sådan kula har en annan storlek och är därför inställd på en annan våglängd. Därmed kan hela kulan absorbera ljus från ett brett spektrum – från kortare vågor ända till nära-infraröd strålning.

En ytterligare fördel är att dessa strukturer bildas spontant. Under rätt kemiska betingelser organiserar guldnanopartiklarna sig själva till kulor, utan behov av komplicerade monteringsprocesser eller litografi. I praktiken ser processen ut så här:

först framställs en lösning med guldnanopartiklar av varierande storlekar
därefter kontrolleras förhållanden som koncentration och temperatur för att framtvinga självorganisering
partiklarna smälter samman till stabila flerkomponentkulor – alltså supraballs
den färdiga suspensionen med kulorna kan appliceras som färg på ytan av en enhet
den höga tätheten av olika stora partiklar i en kula säkerställer täckning av ett brett spektrum
strukturernas stabilitet möjliggör upprepad applicering utan funktionalitetsförlust

Innan de experimentella testerna genomfördes avancerade numeriska simuleringar. De ville fastställa vilken diameter guldkulorna borde ha, hur storlekarna på komponentpartiklarna skulle fördelas och hur tätt de skulle packas för att uppnå högsta absorptionsgrad. Datorsimuleringarna indikerade att väldesignade supraballs kan absorbera mer än 90 procent av energin i det användbara solspektrumet.

I laboratoriet absorberade guldkulorna nästan dubbla energimängden

Efter simuleringsserien kom tiden för experiment. Forskarna började inte direkt med en solcellspanel, utan med en kommersiellt tillgänglig termoelektrisk generator – en enhet som omvandlar temperaturskillnader till elektrisk energi.

På generatorns yta applicerade de en vätska innehållande supraballs. Efter torkning uppstod ett tunt guldskikt. Därefter belyste de hela enheten under kontrollerade förhållanden med hjälp av en specialiserad LED-simulator som efterliknar solspektrumet.

Med detta skikt absorberade enheten cirka 89 procent av den infallande strålningen. Samma generator, täckt med en klassisk film av guldnanopartiklar, fångade endast omkring 45 procent av energin. Skillnaden är spektakulär – åtminstone i laboratoriet. Vi talar om nästan dubbelt så hög absorption, uppnådd uteslutande genom att ändra strukturen hos samma råmaterial.

Som jämförelse uppnår traditionella monokristallina kiselpaneler från tillverkare som Longi Solar eller JinkoSolar en verkningsgrad på omkring 22 procent. Om guldnanokulorna kan överföra ett motsvarande absorptionshopp till verkliga takförhållanden skulle det kunna innebära en revolution inom energisektorn. Forskarna förblir dock försiktiga och understryker den långa vägen från laboratorieprototyp till massproduktion.

Varför guldkulorna kanske inte är så dyra som det låter

Vid första anblicken kan idén om att förstärka solpaneler med en dyr ädelmetall verka absurd. I nanometerskala ser situationen annorlunda ut. Guld har exceptionellt stabila kemiska egenskaper, oxiderar inte som silver och bevarar en mycket kraftfull plasmonisk effekt.

Det avgörande är att mängden metall är försvinnande liten. Vi talar om ultratunna skikt som är osynliga för blotta ögat. Materialkostnaderna kan i praktiken vara acceptabla om panelerna i gengäld levererar markant mer energi från samma tak- eller farmarea.

Om tekniken mognar kan den teoretiskt kombineras inte bara med klassiskt kisel, utan också med nya generationer av celler – exempelvis tandemstrukturer av kisel och perovskiter, som redan idag lovar att överskrida en verkningsgrad på 30 procent. Forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Colorado och vid Helmholtz-Zentrum Berlin arbetar på liknande kombinationer och menar att framtiden för fotovoltaik just ligger i hybridstrukturer.

Forskarna undersöker dessutom om billigare metaller med liknande plasmoniska egenskaper – exempelvis aluminium eller koppar – skulle kunna ersätta guld. Hittills erbjuder dock ingen av dem samma stabilitet och effektivitet som guld i nanometerstorlek.

Vilka hinder väntar guldkulorna på vägen till taken

Det låter som receptet på en revolution inom fotovoltaik, men studiens författare dämpar förväntningarna själva. De lovar varken att tekniken snabbt kommer att lyfta panelernas verkningsgrad från 20 till 40 procent, eller att man inom kort kan köpa moduler med supraballs i närmaste byggvaruhus.

Vägen från en vetenskaplig publikation till en produkt på taket kan ta år eller hela årtionden. Många teknologier lämnar aldrig laboratoriet eftersom de visar sig vara för dyra, för komplexa att producera, eller helt enkelt förlorar mot konkurrensen. Marknaden för fotovoltaik är mogen och starkt dominerad av jättar som Trina Solar, Canadian Solar och First Solar. Varje ny lösning måste inte bara fungera bättre, utan också passa in i befintliga produktionslinjer, vara billig, motståndskraftig mot regn, frost och värme och samtidigt miljösäker.

De största frågorna för kommande år är:

om supraballs kan framställas i massproduktion, reproducerbart och utan markanta prisökningar på modulerna
hur ett sådant skikt tål fukt, smog, repor och långvarig UV-strålning
om användningen av guld, även i nanometermängder, kommer att utgöra en kostnadsmässig flaskhals för stora solfarm
hur dessa strukturer integreras med klassiskt kisel eller nya perovskitceller
om tillverkare som LONGi eller Meyer Burger kommer att visa intresse för att licensiera tekniken
hur snabbt forskarna kan skala från laboratorienivå till pilotproduktion

För den vanliga användaren handlar det främst om två saker: hur mycket elektricitet som kan produceras från tillgänglig yta, och vad varje extra watt effekt kostar. Om guldnanokulorna gör det möjligt för paneler på samma tak att generera märkbart mer energi kommer investeringen i solceller att bli långt mer attraktiv – utan att man behöver montera extra kvadratmeter moduler.

Guldnanokulor kan finna tillämpning långt bortom hustak

Från elnätets perspektiv innebär högre verkningsgrad på samma yta också bättre utnyttjande av markarealer för solfarm och mindre press på att ta i anspråk nya territorier. Varje extra verkningsgradsprocentenhet återspeglas direkt i konkreta megawatt från samma markområde.

Det är värt att notera att teknologier av denna typ ofta finner oväntade sidovinster. Skikt med mycket hög absorption lämpar sig för precisionssensorer, små generatorer för att förse Internet of Things-enheter eller bärbara apparater som samlar energi från dagsljus hela dagen. Forskare vid Massachusetts Institute of Technology och Stanford University testar redan liknande tillämpningar inom områden från medicinska implantat till autonoma meteorologiska stationer.

För dem som följer utvecklingen inom grön energi är exemplet med guldkulorna från Korea en god påminnelse om att solcellspotentialen inte är uttömd med en ny växelriktare eller en färsk serie av moduler. En enorm del av spelet är fortfarande ren fysik och materialvetenskap – och det är just där, i laboratorierna, som avgörandena fattas om vilka teknologier som anländer till våra tak om tio eller tjugo år.