Från sol till el med idéer från naturens motorer

Forskare i Lund söker efter ett helt nytt sätt att omvandla solenergi till elektricitet. Till sin hjälp har de avancerad nanoteknik, nya teoribyggen, och en mångårig fascination för naturens egna motorer.

Projektanslag 2016

Nanothermodynamics for optoelectronic semiconductor devices

Huvudsökande:
Professor Heiner Linke

Medsökande:
Andreas Wacker
Claes Thelander
Lars Samuelson
Magnus Borgström
Martin Leijnse
Mats-Erik Pistol
Peter Samuelsson
Stephanie Reimann
Tönu Pullerits

Lärosäte:
Lunds universitet

Beviljat anslag:
47,5 miljoner kronor under fem år

Heiner Linke, professor vid Lunds universitets avdelning för fasta tillståndets fysik, har en leksak i sin bokhylla. Den ser lite ut som en fyrbent metallspindel. Han använder den för att förklara konceptet molekylmotorer. När han vrider upp leksaken, så stor att den ryms i handflatan, studsar den slumpmässigt fram och tillbaka på sina metallben. Lämnar man den ifred på en bordsskiva kommer den just ingenvart. Men håller man händerna på ömse sidor om leksaken, så att den får färre riktningar att välja på, förändras läget.

– Om man stoppar den när den går åt ”fel” håll, kommer den i medeltal att röra sig åt rätt håll. Det är så molekylmotorer gör när de driver processer i levande celler. Eftersom de är mycket små, kommer slumpmässig värmerörelse gratis. Den kan de utnyttja, säger Heiner Linke.

Han leder en forskningsgrupp med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, som ska försöka kopiera molekylmotorernas metod och använda den i ett annat sammanhang – nämligen i solceller.

På sikt hoppas de hitta ett helt nytt och mycket mer effektivt sätt att utnyttja solens energi för att producera el. Men det krävs både ny teknik och nya teorier. Molekylmotorerna fungerar nämligen väldigt annorlunda jämfört med de motorer som människan konstruerar.

Elektronernas värme ska ge mer el

– I förbränningsmotorer använder vi kemisk energi för att skapa rörelse. Just det har vi gemensamt med molekylmotorerna. Men medan vi i våra motorer skapar temperaturer som är mycket högre än omgivningens, och använder detta för att skapa rörelse, kan inte molekylmotorer göra så. Istället har de andra sätt, annorlunda än allt vi skapat, som på molekylnivå fungerar bättre än den mest finslipade bilmotor.

Tekniken i solceller är lika småskalig som i molekylmotorerna. Det är därför Heiner Linke och hans kollegor hoppas kunna låna idéer dit.

Forskare i Lund har redan många års erfarenhet av att utveckla mer effektiva solceller med hjälp av nanoteknik. De bygger nanotrådar som fungerar som små antenner som fångar upp solens strålar och omvandlar dem till rörelse hos elektroner, alltså elektricitet. Men alla elektronerna tar inte upp lika mycket energi. En del får onödigt mycket, och då blir bara en del av den el. Resten blir värme. Det är den extraenergin som forskarna vill utnyttja.

– Våra solcellssystem bygger redan på ganska få elektroner. Om vi kunde göra systemen ännu lite mindre, så att de här energifluktuationerna i elektronerna blev riktigt påtagliga, kanske det finns sätt att dra fördel av värmerörelsen. Sätt som vi inte har tänkt på ännu.

I bästa fall kan resultatet bli solceller med betydligt högre verkningsgrad. Det betyder att en större del av den inkommande energin förvandlas till elektricitet.

Ny teori, material och teknik är bara en startpunkt

Heiner Linke har ända sedan starten på sin forskning arbetat med elektronfenomen i halvledare. Hans doktorsavhandling tog för tjugo år sedan upp företeelser som han gissade skulle kunna bli tillämpbara någon gång i framtiden, när dimensionerna i elektroniken blivit tillräckligt små. I dag är vi där, konstaterar han. Och när de minsta elektroniska komponenterna är så små att de ligger bara några atomlager ifrån varandra börjar andra fysikaliska lagar gälla. Det betyder andra begränsningar, och andra möjligheter.

Heiner Linke har alltid fascinerats av molekylmotorer, även om det legat utanför hans eget forskningsfält. Under ett par decennier har han sett termodynamikens teorier utvecklas så att de kan beskriva både det som händer i en förbränningsmotor, och i en molekylmotor. Nu anser han att det är dags för något liknande för optoelektroniken, det område som han och kollegorna arbetar med.

– Vi behöver teoretiska verktyg för att beskriva hela processen. Därför är en tredjedel av vårt projekt teori, säger Heiner Linke.

De tio forskarna i projektet ska också experimentera med både material och nanotekniker för att försöka skapa konstruktioner där elektronerna och energiöverföringen kan styras på nya sätt. För att veta om de lyckas behöver de dessutom utveckla nya mätmetoder.

Men vad de framför allt behöver, enligt Heiner Linke, är ännu fler idéer.

– Vi har bra startpunkter och bra förutsättningar, så utan tvekan finns det massor av spännande fysik som vi kan göra. Men för att verkligen komma med ett helt nytt koncept, ett okänt sätt att omvandla energi, så krävs det en nytändning under projektets gång. I stället för att kräva att vi kunde planera vårt projekt månad för månad redan från början, ville Stiftelsen finansiera en grundläggande frågeställning. Det ska de ha en stor eloge för. Det är fantastiskt att få lov att arbeta på det här viset!

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström