Solceller er karakteriseret ved, at de omsætter strålingsenergi direkte til elektricitet ved hjælp af den såkaldte 'fotoelektriske effekt'. Problemet med traditionelle solceller er, at de ikke kan udnytte hele lysets spektrum, men næsten kun kan bruge det synlige lys. (Foto: Colourbox)

Når solens stråler skal omdannes til elektricitet, som vi kan bruge i vores huse, går cirka 70 procent af energien til spilde.

Dette spild er et stort problem for solenergi som vedvarende energikilde - men nu er en mere effektiv teknik måske på vej.

Løsningen er baseret på forskning af professor Sergey I. Bozhevolnyi og hans forskerteam fra Syddansk Universitet i samarbejde med forskere fra Aalborg Universitet.

Resultatet af forskningen er netop udgivet i det internationale web-tidsskrift Nature Communications.

Den nye teknik, der er baseret på nano-optik, gør det muligt at bruge metaller til at omdanne lys til elektricitet med ekstremt lille spild. Den nye teknik åbner dermed muligheden for en helt ny måde at producere solceller på.

Sort metal med nano-fokusering

Forskerholdet har fundet en ny tilgang til at omdanne skinnende metaller som guld, sølv og platin til sort metal ved at ændre overfladens nano-struktur.

Når metallets overflade er sort, betyder det, at størstedelen af det lys, der rammer overfladen, bliver absorberet af metallet, fordi lyset bliver omdannet til varme på den mørke overflade. I øjeblikket er løsningen ikke billig, men den er meget mere effektiv. 

Metallet i sig selv bliver ikke påvirket, kun dets overfladetopografi. Forskerne brugte en såkaldt 'fokuseret-ion-stråle-fræsningsteknik' til at fræse bittesmå, ultra-skarpe konvekse ('udadhvælvede') riller, der løber i to på hinanden vinkelrette retninger. Elektronmikroskop-billedet her er taget af overfladen på guld, der har fået den behandling. (Foto: Sergey I. Bozhevolnyi)

Ind til nu har det kun været muligt at skabe sort metal ved at ødelægge metallets overflade med intens laserlys, hvilket skaber sod og andre tilfældige partikler.

Tidligere systematiske løsninger har kun haft absorption af lys i et meget begrænset bølgelængdeområde, hvorved der opstår energispild.

Forskernes tilgang er også konceptuel ny, fordi de har arbejdet med såkaldt 'nano-fokusering' af lyset. Det er en metode, som kun har været kendt i de sidste ti år.

»Det betyder, at lyset konstant bliver presset ind i en smal metalrille, ind til det stopper og bliver absorberet. Denne fokusering gør lysabsorptionen ekstremt effektiv, så omkring 96 procent absorberes i et bredt bølgelængdeområde,« siger Sergey I. Bozhevolnyi.

Teknik mindsker spild

Den nye metode kan anvendes i forskellige sammenhænge, men professoren ser et stort potentiale inden for området 'thermophotovoltaics', der handler om at omdanne varme til elektricitet ved hjælp af sollysets fotoner.

Generelt gælder det, at forskellige opvarmede materialers lysudsendelse farvemæssigt vil være den samme som det spektrum, de absorberer.

Det vil sige, at hvis overfladen kun absorberer blåt lys, vil den i princippet også kun kunne udsende blåt lys, når materialet opvarmes. Sorte overflader absorberer et meget bredt spektrum af lys.

Hvis vi optimerer metoden, kan spildproblemet ved solenergi løses.

- Sergey I. Bozhevolnyi

»Vores sorte metal vil i høj grad øge effektiviteten af den varme, der opstår ved energikonverteringen, hvorved vi får mere elektricitet. Teknikken kan derfor anvendes som kompakte energibesparende elektriske generatorer uden nogen bevægelige dele,« forklarer han.

»Metoden kan vise sig at være en langt bedre måde at omdanne solenergi til elektricitet i forhold til det, vi gør i dag. Der er klare tegn på, at almindelige solceller er mindre effektive end den type af generatorer, vi arbejder med. Hvis vi optimerer metoden, kan spildproblemet ved solenergi løses,« siger han, og peger på, at der også er en principiel maxgrænse for de almindelige solcellers effektivitet.

Billigere løsning er næste skridt

Nature Communications bliver nærlæst af forskere fra hele verden, og derfor vil offentliggørelsen af resultaterne forhåbentlig spille en afgørende rolle i fremtiden.

»Vores konklusioner vil stimulere andre forskere, der arbejder inden for samme felt, til at udvikle videre på vores koncept,« siger Sergey I. Bozhevolnyi.

»Det næste skridt er at undersøge andre og billigere metaller, så vi kan arbejde videre mod en løsning, der kan bruges i praksis. Vi vil også prøve at finde mere økonomiske og produktionsvenlige metoder til at fabrikere disse overfladestrukturer.«

Artiklen ‘Plasmonic black gold by adiabatic nanofocussing and absorption of light in ultra-sharp convex grooves’ er offentliggjort i Nature Communications.