Fremtidens solceller kan være baseret på jern
En dansk/svensk forskergruppe har fundet frem til en særlig jernforbindelse, der kan forvandle sollys til elektricitet på en effektiv måde. Opdagelsen kan føre til billige solceller, der kan bruges alle steder.

Når lys rammer det nye solcellemolekyle, hopper en elektron fra jernatomet i midten (Fe) til ydersiden af molekylet (sort pil). Herfra fortsætter den i 92 procent af tilfældene til en nanopartikel af titandioxid (TiO2), som er i forbindelse med en elektrode, og så kan elektronen indgå i et elektrisk kredsløb (blå pil). I de sidste otte procent af tilfældene falder elektronen bare tilbage igen (rød pil). (Illustration: T. Harlang)

Når lys rammer det nye solcellemolekyle, hopper en elektron fra jernatomet i midten (Fe) til ydersiden af molekylet (sort pil). Herfra fortsætter den i 92 procent af tilfældene til en nanopartikel af titandioxid (TiO2), som er i forbindelse med en elektrode, og så kan elektronen indgå i et elektrisk kredsløb (blå pil). I de sidste otte procent af tilfældene falder elektronen bare tilbage igen (rød pil). (Illustration: T. Harlang)

I solceller omdannes lys til elektricitet. Det kan foregå på forskellige måder, og nu har en forskergruppe med dansk deltagelse fundet ud af, hvordan solceller kan være baseret på jern, der som bekendt er et almindeligt og billigt metal.

Forskerne har designet en særlig jernforbindelse - et molekyle med et jernatom i midten - som på effektiv vis spytter en elektron ud, når den rammes af lys.

Det gør molekylet ideelt til brug i en type solceller kaldet Grätzel-celler, for her kan jernet erstatte det sjældne og meget dyre metal ruthenium.

»Målet med vores projekt var at erstatte ruthenium med noget, der er mere tilgængeligt. Det er nu lykkedes,« fortæller danske Tobias Harlang, der netop har forsvaret sin ph.d. om den nye type solceller, og som nu arbejder som postdoc på kemisk institut ved Lunds Universitet i Sverige.

Den videnskabelige artikel om det nye solcellemateriale bringes i tidsskriftet Nature Chemistry, og Tobias Harlang er førsteforfatter.

Blandt de øvrige forfattere finder man også danskeren Kasper Skov Kjær, der både er tilknyttet Lunds Universitet og Danmarks Tekniske Universitet, og som i øjeblikket arbejder videre med molekylet på Stanford University i USA.

Solcellen bliver til en tynd film

En solcelles job er at få sollys til at sætte skub på elektroner, for den strøm, der driver vores elektriske apparater, er netop elektroner i bevægelse.

De mest udbredte solceller er fremstillet af halvledermaterialet silicium. De traditionelle silicium-solpaneler er ret effektive, idet de bedste af dem omdanner en fjerdedel af lysets energi til strøm, men det kræver ganske meget energi at fremstille dem, de er besværlige at have med at gøre, og der er grænser for, hvor de kan anvendes.

Grätzel-celler er smartere, for i stedet for stiv silicium er de baseret på farvestofmolekyler, der suger solenergien til sig og forvandler den til elektricitet. Disse molekyler kan placeres i en ganske tynd og fleksibel film. Endnu er de dog ikke nær så gode til at producere elektricitet af solskin - effektiviteten kommer højst op på 12-13 procent.  

»Hvis solceller kan fremstilles som billige, tynde film i stedet for klodsede solpaneler, der ikke ligefrem pynter, så kan alle mulige former for overflader forsynes med solceller - forskellige former for byggematerialer, vinduer og tekstiler,« siger Tobias Harlang.

»Grätzel-celler har også den fordel, at de virker godt ved lav lysintensitet og ved diffust lys - altså når det for eksempel er overskyet. Så det er jo en god teknologi for os, der bor i lande, hvor det tit er skyet.«

Jern erstatter sjældent grundstof

De bedste Grätzel-celler er baseret på molekyler bygget op omkring ruthenium, men det kan forskernes nye resultat lave om på - og dermed kan solceller af denne type blive billigere.

»Jern er interessant, for i det periodiske system ligger det lige over ruthenium, så det har nogle af de samme kemiske egenskaber. Desuden er det ikke skadeligt for miljøet eller for vores kroppe, og for hvert gram ruthenium findes der 63 ton jern,« lyder det fra Tobias Harlang.

»Problemet har bare været, at molekyler baseret på jern ikke har været i stand til at holde længe nok på den energi, der kommer fra lyset. Derfor er lyset bare blevet til varme i stedet for elektrisk energi.«

Forskerne har fundet ud af, at det tager molekylet tre picosekunder - tre billiontedele af et sekund - at overføre energien til det elektriske kredsløb.

Grätzel-celler er opkaldt efter Michael Grätzel fra det tekniske universitet EPFL i Schweiz. Han var med til at opfinde dem i 1988 og er stadig med helt fremme i feltet. (Foto: EPFL)

Indtil nu har jernbaserede molekyler kun holdt på energien i 0,1 picosekund, men det nye molekyle kan gemme på energien i op til 37 picosekunder, så nu er der tid til at sende energien videre som elektricitet.

Kollega: Ydelsen skal forbedres

Gennembruddet skal nok vække opsigt blandt andre forskere, der arbejder med Grätzel-celler. Det gør lektor Torben Lund fra Roskilde Universitet for eksempel, og han er umiddelbart begejstret, da vi fortæller ham om det resultat, de har opnået i Lund.

»Det er da en fantastisk nyhed!« udbryder han. »Det ser bestemt spændende ud.«

Da den første begejstring har lagt sig, gør Torben Lund dog opmærksom på, at ydelsen fra rigtige solceller med molekylet ikke just imponerer i denne tidlige fase.

»Der er meget, meget lang vej igen til noget, der bare ligner praktisk anvendelse,« siger han og bider mærke i, at kun 0,13 procent af energien i sollyset bliver til elektricitet i de første solcelle-eksperimenter med det nye molekyle.

Ifølge Torben Lund skal det tal mindst ganges med 50-100, før det for alvor bliver interessant.

Levetiden er en udfordring

Et anden udfordring, der skal arbejdes med, er solcellernes stabilitet, siger Torben Lund:

»De må gerne sende farvestofmolekylerne herned til Roskilde Universitet, så kan vi finde ud af, om de er stabile, så solcellerne kan holde i lang tid.«

Netop levetiden kan være en svaghed for Grätzel-celler, men på det område er Tobias Harlang fortrøstningsfuld:

»De prøver, vi har fremstillet, har været utroligt stabile og er ikke henfaldet hen over de måneder, vi har observeret dem. Generelt set er jern-komplekser meget stabile, hvilket jo er en yderligere fordel,« siger han.

Molekylet skal optimeres

Indtil videre har Lund-forskerne kun kigget på det første, fundamentale trin af processen i en solcelle. Endnu er det for tidligt at sige, hvor effektiv og langtidsholdbar en solcelle, der på sigt kan komme ud af molekyler bygget op omkring et jernatom.

Kemikerne vil bruge de næste par år på at optimere molekylet, så det bliver endnu bedre til at suge energi ud af Solens stråler.

Derefter er det en ingeniøropgave at designe selve solcellen, så den fungerer optimalt sammen med molekylet, så det varer noget tid endnu, før den nye type solceller er klar til at tage kampen op mod de gammeldags silicium-solceller.

»Så kan vi forsyne facader med solceller, og de kan komme på taget af biler, på bagsiden af mobilen og mange andre steder. Vi vil kunne udnytte Solens energi meget bedre, end vi kan i dag. Der er et kæmpestort uudnyttet potentiale i solenergi,« slutter Tobias Harlang.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Det sker