Sollys inneholder mange farger eller bølgelengder. De mest energirike strålene slår løs de mest energirike elektronene i solceller. De kalles hete elektroner. Mesteparten av denne energien går til spille. Nå arbeider forskere med å utnytte denne energien, både i solceller og til å spalte vann til hydrogen for brenselceller. Colourbox
Sollys inneholder mange farger eller bølgelengder. De mest energirike strålene slår løs de mest energirike elektronene i solceller. De kalles hete elektroner. Mesteparten av denne energien går til spille. Nå arbeider forskere med å utnytte denne energien, både i solceller og til å spalte vann til hydrogen for brenselceller. Colourbox

Vil temme hete elektroner for å lage strøm og hydrogen

Noen elektroner har mer energi enn andre. Nå skal villbassene temmes for å lage bedre solceller og brenselceller.

Published

Du finner dem i de beste solceller. De er så eitrende hete og proppfulle av energi at de blir ganske ustyrlige. De kalles hete elektroner.

Nå strever forskerne med å temme de hete elektronene. All energien kan komme til nytte, hvis vi bare fanger dem i tide.

Syder av elektroner

Se for deg en solcelle. Glassflaten bader i sollys. Alt ser stille og urørlig ut. Men under glassflaten syder det – av både småflinke og mer ustyrlige elektroner.

Under glassflaten i solcellen er det silisium. Silisiumet pepres av milliarder på milliarder av lyspartikler fra sola – fotoner. Fotoner er ren energi.

Målet er å gjøre om all energien til strøm. Det er dessverre umulig. Hvorfor?

Ulike farger, ulik energi

Noe av svaret ligger i lyset. Lys kommer i mange farger. Det blå lyset har mer energi enn det grønne. Det grønne har mer energi enn det røde. Det røde har mer energi enn det infrarøde. Og sola har alle disse fargene, og mange fler.

– Ideelt skulle vi gjerne hatt en sol som bare strålte en eneste farge. Da kunne vi laget solceller som passet perfekt til den fargen og den energien, sier Erik Stensrud Marstein til forskning.no.

Marstein er forskningsleder ved Sollaboratoriet på Institutt for energiteknikk. Han forteller at hvis forskerne klarer å temme de hete elektronene, kan solceller bli rundt dobbelt så effektive.

Høydehopperne

Så hva er det som gjør dem så vanskelige å temme? Svaret ligger i elektronene. Akkurat som fotoner har forskjellig energi, så har også elektroner forskjellig energi.

Når lyspartiklene slår inn i solcella, hopper elektronene ut av sine gode baner rundt silisiumatomene. Noen treffes av infrarøde fotoner. De får ikke så mye energi. De hopper bare så vidt høyt nok i energi til at de svermer fritt og kan utnyttes som elektrisk strøm.

Andre treffes av blå eller ultrafiolette stråler. De får mye mer energi og hopper til mye høyere energinivåer. De er de hete elektronene.

Kolliderer

– Disse elektronene kolliderer først med andre elektroner. Da bytter elektronene energi seg imellom, men den totale energien deres blir ikke mindre. Verre er det når de kort tid etter begynner å kollidere med de tyngre atomkjernene solcellen, forklarer Marstein.

– Da mister de hete elektronene overskuddsenergien sin. Den blir unyttig varme istedenfor strøm. Det skjer på veldig kort tid, en million milliondels sekund.

Samling i sentrum

Men forskere jobber hardt med å temme de hete elektronene. Målet er å fange dem så raskt at de ikke rekker å sløse vekk energien. Isteden skal forskerne tvinge dem til å gjøre nytte for seg.

– Hvis vi kunne lage et materiale der de hete elektronene og de minst energiske elektronene kolliderte med hverandre og vi fikk en slags samling i sentrum om en middels energi, og hvis vi kunne lage en helt spesiell kontakt for å plukke opp akkurat denne energien, hadde vi fått til noe virkelig flott, sier Marstein.

Men lett blir det uansett ikke. Å lage kontakter som fanger bare en bestemt elektronenergi krever nye materialer av nanokrystaller i solcellene.

– Hete elektroner er stadig et interessant forskningstema, understreker Marstein.

Spalter vann til hydrogen

Ved Rice University i Houston, USA prøver forskere å utnytte de hete elektronene på en annen måte.

De vil sette dem i arbeid med å lage hydrogen til brenselceller. Brenselceller lager elektrisk strøm.  Brenselceller kan gi mange ekstra mil til elbiler, sammenlignet med strømmen fra batterier.

Hydrogenet kan lages ved å spalte vann. I vannet er to atomer hydrogen og ett atom oksygen bundet ganske tett. Det kreves mye energi for å rive dem fra hverandre. Her kommer de hete elektronene til nytte.

For å temme dem prøver forskerne å fange de hete elektronene i ørsmå nanopartikler av gull.

 Sollys (rød stråle) treffer ørsmå partikler av gull (gule flekker) og danner heite elektroner (rødt lag øverst). Elektroner slås løs, og etterlater en ledig plass, et hull, i gullatomet (blå prikker). Hullene fraktes gjennom et lag av nikkeloksid (grønt) til aluminium (blått, nederst). De heite elektronene prøver å følge etter, men stanses av nikkeloksidet. Dermed tvinges de til å gjøre nytte for seg, for eksempel ved å spalte vann til hydrogen. (Foto: (Figur: I. Thomann/Rice University, bearbeidet av forskning.no))
Sollys (rød stråle) treffer ørsmå partikler av gull (gule flekker) og danner heite elektroner (rødt lag øverst). Elektroner slås løs, og etterlater en ledig plass, et hull, i gullatomet (blå prikker). Hullene fraktes gjennom et lag av nikkeloksid (grønt) til aluminium (blått, nederst). De heite elektronene prøver å følge etter, men stanses av nikkeloksidet. Dermed tvinges de til å gjøre nytte for seg, for eksempel ved å spalte vann til hydrogen. (Foto: (Figur: I. Thomann/Rice University, bearbeidet av forskning.no))

Plasmoner ingen adgang

Når fotoner i sollyset treffer disse gullpartiklene, slås de hete elektronene løs. Gullpartiklene blir det som kalles plasmoner. Det er elektroner som svinger fram og tilbake gjennom stoffet med høy energi.

Når elektronene slås løs, etterlater de seg et slags ladningshull. Atomet har minusladning. Hullet får da plussladning.

Hullene som de hete elektronene etterlater seg, suges vekk gjennom et lag av nikkeloksid. Så ender de opp i et bunnlag av aluminium.

De hete negative elektronene i plasmon-gullet prøver å følge etter, lokket av plussladningen i hullene. Men nikkeloksidet stopper dem. Elektronene slipper ikke ned til elektronhullene i aluminiumen.

Hamler opp med dyrere metoder

Forskerne fra Rice University har gjort førsøk med det lagdelte stoffet av nanogull, nikkeloksid og aluminium i et vannbad.

Foreløpig har de bare målt hvor mye strøm de hete elektronene lager, ikke hvor mye hydrogen som kom ut av vannet.

Målingene viser likevel at det ble laget like mye strøm som fra mye mer kompliserte og dyre metoder, ifølge en av forskerne i en nyhetsmelding fra universitetet.

Lenke og referanse:

Rice researchers demo solar water-splitting technology, nyhetsmelding fra Rice University.

Hosseil Robatjazi m.fl.: Direct Plasmon-Driven Photoelectrocatalysis, NanoLetters 5. August 2015, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02453, sammendrag.