Nanopartiklar svänger solljus till elektricitet

Elproducerande solceller är ett av de mest attraktiva alternativen för att skapa ett långsiktigt hållbart energisystem, men än så länge kan inte solceller konkurrera ekonomiskt med fossila bränslen. Forskarna tittar just nu mycket på hur nanoteknik kan bidra till att få ned kostnaden. Solceller är uppbyggda av skivor som absorberar solljuset och omvandlar det till elektrisk ström. Tunnare solceller kan ge både billigare och mer elektricitet än dagens celler, om deras förmåga att absorbera solljus optimeras. Ett sätt att förstärka absorptionen i det ljusfångande materialet i en solcell är att utnyttja nanopartiklar av ädelmetall. Carl Hägglund (bilden) på Chalmers har tittat närmare på hur detta fungerar i sin färska doktorsavhandling. Det rör sig om partiklar med speciella optiska egenskaper som beror på att deras elektroner svänger fram och tillbaka tillsammans i takt med ljusets frekvens, det vill säga ljusets färg. Partiklarna fångar in ljuset som små antenner och via svängningarna förs energin vidare som elektricitet. Dessa svängningar, plasmoner, blir extra kraftiga vid vissa så kallade plasmon-resonansfrekvenser, som i sin tur påverkas av partiklarnas form, storlek och omgivning. - Vad vi har gjort är att vi med hjälp av nanoteknik tillverkat partiklarna och på så vis kunnat styra egenskaperna och sett hur de kan förstärka absorptionen av ljus med olika färg, säger Carl Hägglund. I solcellssammanhang är den stora utmaningen att effektivt överföra den energi som absorberas i elektronsvängningen till energi i form av elektricitet. - Vi visar att det är just partiklarnas svängningar som ger energin, hur den överförs till materialet och blir till elektricitet. Det hade ju till exempel kunnat vara så att svängningarna bara genererade värme istället, säger Carl Hägglund. Verkningsgraden för de bästa solcellerna är redan idag väldigt hög. Möjligheten att få ännu billigare solceller ligger därför bland annat i mindre materialåtgång och lägre produktionskostnader. Med solceller av specialdesignade nanopartiklar av guld, som Carl Hägglund tittat på, krävs bara ett fåtal nanometer tjockt lager för att partiklarna ska absorbera ljuset på ett effektivt sätt. I avhandlingen undersöks effekten av nanopartiklar av ädelmetall på två olika typer av solceller, som kan sägas representera två ytterligheter. I den ena typen av solcell absorberas ljuset i molekyler på en yta, och i den andra djupt inne i materialet. De experimentella och teoretiska resultaten visar att partiklarna kan bidra till att överföra ljusets energi till användbar elektricitet på flera olika sätt, och att det är möjligt att förstärka solcellers absorption både på ytan och i djupet via olika mekanismer.