nano-science center københavns universitet BROMBÆRSOLCELLEN Perspektiver og baggrund
SOLCELLER - EN LØSNING Vi har brug for at mindske vores udledning af kuldioxid (CO 2 ) til gavn for jordens klima. Over hele kloden brænder mennesker olie, gas og kul, kaldet fossile brændstoffer for at producere el-energi og for at transportere sig rundt. Når vi afbrænder fossile brændstoffer, slippes CO 2 ud i atmosfæren. CO 2 er en af de såkaldte drivhusgasser, som sørger for, at temperaturen på Jorden giver mulighed for livet, som vi kender det. FN s klimapanel mener, at stigningen i atmosfærens indhold af CO 2 skyldes menneskers aktivitet. Når CO 2 indholdet stiger, mener mange forskere også, at den gennemsnitlige temperatur på jorden stiger. De taler om den globale opvarmning. Den gennemsnitlige temperatur på jorden er steget med 0,74 grader de sidste 100 år. Selv om det ikke lyder af meget, så betyder bare små ændringer i temperaturen store ændringer for naturen. Indlandsisen bl.a. i Grønland er allerede begyndt at smelte og det betyder stigninger i vandstanden, også i Danmark. Der er mange områder i Danmark, som i fremtiden vil blive oversvømmet, hvis temperaturen bliver ved med at stige. Alle organismer på jorden, som fx dyr og planter er tilpasset det nuværende klima. Når klimaet ændrer sig, vil dyrene flytte længere mod nord og nogle arter vil uddø. Forskere arbejder med at udvikle andre energikilder, så også jordens fremtidige befolkning kan få mulighed for at leve med de goder, vi har i dag. En af disse alternative energikilder er solceller. NANO- TEKNOLOGIEN... Mennesker har igennem årtusinder forsøgt at tæmme solens stråler for at udnytte energien til at varme huse op, lave el-energi mm. Men indtil videre er vi mennesker amatører i forhold til naturen. Naturen har ved hjælp af fotosyntesen udviklet en metode til at opfange sollysets stråler og omdanne dem til energi, som får fx planter til at vokse helt uden at udlede CO 2. Udvikling af solceller er menneskehedens forsøg på at gøre naturen kunsten efter - Grätzelsolcellen eller brombærsolcellen, som er centrum for NanoKits, er et eksempel.
Grätzelsolcellen er særlig interessant, fordi den både er billig og så simpel, at den kan laves i et hvert skolelaboratorium. Brombærsolcellen adskiller sig fra tidligere typer solceller ved, at den er baseret på nanoteknologi. Det skyldes, at titandioxidlaget består af nanokrystaller, som har en meget stor overflade. Den store overflade gør, at titandioxidlaget kan binde mange farvestofmolekyler, og det er farvestofmolekylerne, der fanger solens lys. Indfangelse af lyset er afgørende for, at vi kan omdanne solens energi til elektrisk energi. Grundlaget for nanoteknologi blev skabt i 1980 erne ved opdagelsen af Scanning Probe Mikroskoperne. Det er en fælles betegnelse for Scanning Tunnel Mikroskoper (STM) og Atomar Kraft Mikroskoper (AFM). Mikroskoperne giver os mulighed for både at se og at flytte rundt på atomer på nanoskala-niveau, idet de kan forstørre op til 1 milliard gange.... ET VIGTIGT REDSKAB Scanning Tunneling Mikroskopi-billeder af atomer der er blevet opstillet i en ring. Elektronerne, der også opfører sig som bølger, kan dermed ses skvulpe rundt i ringen og danne interferensmønstre, som når man kaster en sten i vandet. Hele verden består af atomer: Lige fra din computer, til Jorden, Solen og dig selv. De er bittesmå byggeklodser - atomer er grundstoffernes mindste bestanddele. Nanoscience og nanoteknologien er en tværfaglig videnskab, som inddrager fysik, kemi, biologi, bioteknologi og medicin. Det fælles træk er, at man arbejder på en bestemt længdeskala - nanoskalaen. En nanometer er en milliarddel af en meter. Størrelsesforholdet mellem en nanometer og en meter er det samme som størrelsesforholdet mellem et blåbær og jordkloden.
NANO ER EN NY VERDEN Når materialer er i nanostørrelse får de helt nye egenskaber. Det gælder bl.a. for titandioxid, som indgår i brombærsolcellen. Det er de nye egenskaber materialerne får, når vi oplever dem på nanostørrelse, der giver os mulighed for at bruge materialerne på en anden måde. Samtidig kan vi desuden flytte rundt på atomer og molekyler og derved skabe andre materialer end vi kendte tidligere. Derfor er nanoteknologien en nøgle, når det handler om at udvikle nye materialer for eksempel solceller. Men selvom vi hele tiden bliver bedre til at udnytte vores viden, er der stadig lang vej til vi kan skabe solceller, der udnytter solen ligeså godt som planterne. Nanoteknologiens redskaber bliver også brugt i udviklingen af helt nye typer solceller. Det drejer sig bl.a. om solceller baseret på nanotråde. Nanotråde er kunstige endimensionale materialer med diameter helt ned til 10 nanometer (1/10.000 del af bredden på et hår) og længder på adskillige hundrede nanometer. Skove af nanotråde bliver i disse år undersøgt for deres evne til at indfange solens energi og omdanne den til strøm. Der er flere firmaer rundt om i verden, der udvikler solceller baseret på nanotråde. Elektronmikroskopi-billede af nanowires i en nano-skov EFFEKTIVITETEN ER AFGØRENDE! Når vi bygger solceller, er det med det mål at udnytte så meget af solens lys som overhovedet muligt. Jo mere energi vi kan udvinde fra sollyset jo bedre er det at høste solens stråler. Samtidigt skal det at bygge solcellen være så billigt som muligt både i forholde til de kroner og ører, som det koster at bygge solcellen, men også i forhold til hvor meget energi vi skal bruge på at bygge solcellerne. Her rører vi ved sagens kerne at det har været og stadigvæk er meget svært og dyrt at høste solens stråler. Samtidigt skal solcellen kunne holde i mange år. Inden Grätzel fandt på at bruge nanoteknologi til at lave sin type solceller, har mange andre forskere arbejdet med at udvikle solceller, der effektivt og billigt kan udnytte solens lys. Vi taler om, at der er 3 generationer af solceller. 1. Generation: Krystallinske solceller Krystallinske solceller er i dag den mest brugte solcelletype. De fleste af de krystallinske solceller, som er på markedet er fremstillet af silicium. Det er den type solceller, der er mest effektive rekorden er på 44% i laboratoriet under optimale forhold. De har dog den ulempe, at de er dyre at fremstille. De krystallinske solceller har en holdbarhed på omkring 30 år.
2. Generation: Tyndfilmssolceller Tyndfilmssolceller er også typisk baseret på silicium eller andre halvledende materialer, men som en sandwich af meget tynde film på en overflade. Hvad overfladen er lavet af kommer an på, hvad cellen skal bruges til. Fordelen ved denne type celle er, at den kan være mekanisk fleksibel og billig at fremstille, men effektiviteten er lavere og holdbarheden kortere end for de krystallinske celler. Denne type solcelle tilkæmper sig dog større og større markedsandele i disse år. 3. Generation: Nye teknologier 3. generation omfatter en række alternativer til de klassiske solcelleteknologier, herunder fotoelektrokemiske og polymere solceller. Polymere solceller er fremstillet af plast og er baseret på lange kæder af molekyler med kulstofmolekyler som skelet, der minder lidt om cellulose fra planter. Forskerne bruger nanoteknologiske teknikker til at ændre på molekylernes elektriske egenskaber. Solcellerne er meget fleksible, papirtynde og kan i princippet massefremstilles på trykke-rier. Derfor er de billige, men de er endnu ikke helt så effektive som krystallinske solceller. Brombærsolcellen hører til de fotoelektrokemiske solceller også kaldet PEC for Photo Electrochemical Cell. Selvom vi selv kan fremstille Grätzelsolceller, og se at de virker, er denne type solceller ikke på markedet endnu i stor skala. Det er stadigvæk for dyrt at producere dem, men perspektiverne er bedre ved denne type af solceller end de andre, fordi den er simpel at bygge og de grundlæggende materialer billige. Grätzel arbejder stadigvæk med at udvikle brombærsolcellen. I den oprindelige version, som vi laver i laboratoriet, var der nogle ting, som skulle forbedres. For det første bliver farvestoffet fra brombær nedbrudt, når det udsættes for lys i længere tid. For det andet er det en ulempe, at elektrolytten er flydende. Det betyder, at den er svær at indkapsle effektivt i hele solcellens levetid - der gerne skulle være mindst 25 år. Forskerne har derfor forsøgt sig med andre farvestoffer for eksempel baseret på stoffet porfyrin. I naturen er det en af de vigtigste dele i stoffer som klorofyl (det grønne farvestof i planter, som fanger lyset fra solen) og hæmoglobin (det stof, der transporterer ilt rundt i blodet). Det stof gav en effektivitet på 7,1%. Det er ligesom farvestoffet i brombær et meget billigt materiale. Forskerne har også fundet et farvestof, som er både meget kemisk og temperaturmæssigt stabilt. Michael Grätzel og hans kolleger har så sent som i 2008 fundet et alternativ til den flydende iod-iodid elektrolyt. Den består af en blanding af tre forskellige salte, der gør, at elektrolytten får en langt højere stabilitet over tid.
FREMTIDENS SOLCELLER TRYKT PÅ GLASPLADER Grätzelsolceller kan fremstilles i gennemsigtigt, farvet og mønstret glas, og det gør dem til fantastiske byggematerialer, hvor kun fantasien sætter grænser for, hvordan og hvor man bruger dem. En solcelle i gennemsigtigt glas kan for eksempel bruges i bygningsfacader på kontorbygninger i stedet for almindeligt glas og samtidigt levere elektrisk energi til bygningerne. Solceller kan selvfølgelig bruges til alle mulige andre ting og på steder, hvor der er brug for elektricitet til at transportere folk og varer. Man kunne forestille sig containerskibe med solcellepaneler på dækket, der kunne levere den energi som skibet skulle bruge for at sejle. Ladestationer til mobiltelefoner og computere i ulandene og meget mere - kun fantasien sætter grænser.
Hvis I sammenligner jeres solcelles effekt med den effekt en almindelig energisparepære har (13 W), hvor mange solceller skal der så til for at få en pære til at lyse? SPØRGSMÅL Hvor stort et areal skal være dækket af solceller, hvis en almindelig dansk husholdning skal have sin elektriske energi derfra? Diskuter, hvor effektive solcellerne skal være, før det give mening at sætte dem i produktion.
Rikke Bøyesen redaktør Rikke Bøyesen, Gitte Frandsen, Kasper Nørgaard, SCIENCE Skoletjenesten tekst Asmus Ougaard Dohn, Toke Wahl Fritzemeier layout Peter Krogstrup billeder af nanowires Teknologisk Institut billeder af solceller Udviklet i samarbejde med gymnasielærer Mikkel Rønne, gymnasielærer Marianne Johansson, skolelærer Karin Horsted Berg, skolelærer Hans-Peter Borregaard og formand for DFKF Storkøbenhavn Erland Andersen Nano-Science Center www.nano.ku.dk 2010 Se mere om nanoscience og flere øvelser på www.nanotek.nu nano-science center københavns universitet