nano-science center
kø b e n h av n s u n i v e r s i t e t
BROMBÆRSOLCELLEN
Perspektiver og baggrund
SOLCELLER - EN LØSNING
NANOTEKNOLOGIEN...
Vi har brug for at mindske vores udledning af kuldioxid (CO2) 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
CO2 ud i atmosfæren. CO2 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 CO2 skyldes menneskers aktivitet. Når CO2 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.
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 CO2.
Udvikling af solceller er menneskehedens forsøg på at gøre naturen
kunsten efter - Grätzelsolcellen eller brombærsolcellen, som er centrum for NanoKits, er et eksempel.
...
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.
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.
ET VIGTIGT REDSKAB
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.
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.
EFFEKTIVITETEN
ER AFGØRENDE!
Elektronmikroskopi-billede af nanowires i en “nano-skov”
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.
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.
SPØRGSMÅL
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?
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
kø b e n h av n s u n i v e r s i t e t