En spesiell jernforbindelse kan forvandle sollys til elektrisitet på en effektiv måte, noe som kan føre til billige solceller som kan brukes alle steder.  (Illustrasjonsfoto: Microstock)
En spesiell jernforbindelse kan forvandle sollys til elektrisitet på en effektiv måte, noe som kan føre til billige solceller som kan brukes alle steder. (Illustrasjonsfoto: Microstock)

Fremtidens solceller kan være basert på jern

En dansk-svensk forskergruppe har funnet frem til en spesiell jernforbindelse som kan forvandle sollys til elektrisitet på en effektiv måte. Oppdagelsen kan føre til billigere solceller.

Publisert

I solceller gjøres lys om til elektrisitet. Det kan foregå på forskjellige måter, og nå har en forskergruppe funnet ut hvordan solceller kan være basert på jern, i stedet for det sjeldne metallet ruthenium.

Forskerne har designet en spesiell jernforbindelse – et molekyl med et jernatom i midten – som spytter ut et elektron når den blir truffet av lys. Det gjør molekylet ideelt til en type solceller som kalles Grätzel-celler.

Når lys rammer det nye solcellemolekylet, hopper en elektron fra jernatomet i midten (Fe) til yttersiden av molekylet (svart pil). Herfra fortsetter den i 92 prosent av tilfellene til en nanopartikkel av titandioksid (TiO2), som er i forbindelse med en elektrode, og da kan elektronet inngå i et elektrisk kretsløp (blå pil). I de siste åtte prosentene av tilfellene faller elektronet bare tilbake igjen (rød pil). (Foto: (Illustrasjon: T. Harlang) )
Når lys rammer det nye solcellemolekylet, hopper en elektron fra jernatomet i midten (Fe) til yttersiden av molekylet (svart pil). Herfra fortsetter den i 92 prosent av tilfellene til en nanopartikkel av titandioksid (TiO2), som er i forbindelse med en elektrode, og da kan elektronet inngå i et elektrisk kretsløp (blå pil). I de siste åtte prosentene av tilfellene faller elektronet bare tilbake igjen (rød pil). (Foto: (Illustrasjon: T. Harlang) )

– Målet med prosjektet var å erstatte ruthenium med noe som er mer tilgjengelig. Det klarte vi, forteller danske Tobias Harlang, som nettopp har forsvart sin doktorgrad om den nye typen solceller. I dag er han postdoktor ved kjemisk institutt ved Lunds Universitet i Sverige.

Den vitenskapelige artikkelen om det nye solcellematerialet blir publisert i tidsskriftet Nature Chemistry, og Tobias Harlang er førsteforfatter.

Blant de andre forfatterne finner man også Kasper Skov Kjær, som både er tilknyttet Lunds Universitet og Danmark Tekniske Universitet, og som for tiden arbeider videre med molekylet ved Stanford University i USA.

Solcellen blir til en tynn film

Jobben til en solcelle er å få sollys til å sette fart på elektroner, for våre elektriske apparater drives av elektroner i bevegelse.

De vanligste solcellene er produsert av halvledermaterialet silisium. De tradisjonelle panelene er ganske effektive. De beste konverterer en fjerdedel av lysets energi til strøm. Men det krever svært mye energi å produsere dem, de er vanskelige å håndtere, og det er grenser for hvor de kan brukes.

Grätzel-celler er smartere, for i stedet for stivt silisium er de basert på fargestoff som suger solenergien til seg og forvandler den til elektrisitet. Disse molekylene kan plasseres i en helt tynn og fleksibel film. Fortsatt klarer de ikke høyere effektivitet enn 12–13 prosent.

Grätzel-celler er oppkalt etter Michael Grätzel fra det tekniske universitetet EPFL i Sveits. Han var med på å finne dem opp i 1988 og er fortsatt med helt fremme i feltet.   (Foto: EPFL)
Grätzel-celler er oppkalt etter Michael Grätzel fra det tekniske universitetet EPFL i Sveits. Han var med på å finne dem opp i 1988 og er fortsatt med helt fremme i feltet. (Foto: EPFL)

– Hvis solceller kan produseres som billige, tynne filmer i stedet for klønete solpaneler, som ikke akkurat ser bra ut, så kan alle mulige former for overflater forsynes med solceller – bygningsmaterialer, vinduer og tekstiler, sier Tobias Harlang.

– Grätzel-celler har også den fordelen at de virker godt ved lav lysintensitet og ved diffust lys – altså når det for eksempel er overskyet. Så det er bra for oss som bor i land hvor det ofte er skyer.

Erstatter sjeldent grunnstoff

De beste Grätzel-cellene er basert på molekyler bygget opp omkring ruthenium, men nå kan de altså bli billigere.

– Jern ligger det like over ruthenium i periodesystemet, så det har noen av de samme kjemiske egenskapene. Dessuten er det ikke skadelig for miljøet eller for kroppene våre, og for hvert gram ruthenium finnes det 63 tonn jern, forteller Harlang.

– Problemet har vært at molekyler basert på jern ikke har klart å holde lenge nok på energien som kommer fra lyset. Derfor har det blitt til varme i stedet for elektrisk energi.

Forskerne har funnet ut at det tar molekylet tre picosekunder – tre billiondeler av et sekund – å overføre energien til det elektriske kretsløpet.

Inntil nå har jernbaserte molekyler bare holdt på energien i 0,1 picosekund, men det nye molekylet kan klare det i opptil 37 picosekunder, så nå er det tid til å sende energien videre som elektrisitet.

– Ytelsen må forbedres

Gjennombruddet vil vekke oppsikt blant andre forskere som arbeider med Grätzel-celler. Det gjør for eksempel førsteamanuensis Torben Lund fra Roskilde Universitet, og han er begeistret da vi forteller ham hva de har oppnådd i Lund.

– Det er jo en fantastisk nyhet! utbryter han.

– Det ser absolutt spennende ut.

Da den første begeistringen har lagt seg, påpeker Lund at ytelsen fra solceller med molekylet foreløpig ikke er så imponerende.

– Det er veldig lang vei til noe som ligner praktisk bruk, sier han og påpeker at bare 0,13 prosent av energien i sollyset blir til elektrisitet i eksperimentene.

Ifølge Torben Lund må det tallet ganges med 50 eller 100 før det blir interessant.

Levetiden er en utfordring

En annen utfordring er stabilitet, sier Torben Lund:

– De må gjerne sende fargestoffmolekylene her ned til Roskilde Universitet, så kan vi finne ut om de er stabile, slik at solcellene kan holde i lang tid.

Nettopp levetiden kan være en svakhet for Grätzel-celler, men Harlang er håpefull:

– De prøvene vi har produsert, har vært utrolig stabile. De har ikke blitt brutt ned gjennom de månedene vi har observert dem. Generelt sett er jernkomplekser veldig stabile, noe som er en fordel, sier han.

Molekylet må optimeres

Inntil videre har Lund-forskerne bare sett på det første, grunnleggende trinnet i prosessen. Fortsatt er det for tidlig å si hvor effektiv og holdbar en slik solcelle kan bli.

Kjemikerne vil bruke de neste årene på å videreutvikle molekylet.

Deretter er det en ingeniøroppgave å designe selve solcellen, slik at den fungerer optimalt sammen med molekylet. Det vil altså ta tid før den nye typen solceller kan ta opp kampen mot silisiumet.

– Da kan vi forsyne fasader med solceller, og de kan komme på taket av biler, på baksiden av mobilen og mange andre steder. Vi vil kunne utnytte solens energi mye bedre enn i dag. Det er et kjempestort potensial i solenergi, avslutter Harlang.

Rerferanse:

Tobias C. B. Harlang m.fl: Iron sensitizer converts light to electrons with 92% yield. Nature Chemistry, oktober 2015. DOI: 10.1038/nchem.2365. Sammendrag.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.