Gör el av osynliga solstrålar

Projektanslag 2014

The tail of the sun

Huvudsökande:
Xavier Crispin, professor i organisk elektronik

Medsökande:
Martijn Kemerink
Magnus Berggren
Mats Fahlman
Igor Zozoulenko
Olle Inganäs
Weimin Chen

Lärosäte:
Linköpings universitet

Beviljat anslag:
33,6 miljoner kronor under fem år

Idag är vi drygt 7 miljarder människor här på jorden, om bara 30 år kan vi vara uppemot 10 miljarder. Med den växande befolkningen ökar behovet av el och värme. Samtidigt brottas vi med global uppvärmning på grund av koldioxidutsläppen från fossila energikällor. Ingen lätt ekvation, men som tur är har vi tillgång till en oändlig och förnybar energiresurs, solen.

– Solenergi har en enorm potential. Men vi behöver ta vara även på de osynliga, infraröda strålarna, det klarar inte dagens kiselsolceller, konstaterar Xavier Crispin som är professor i organisk elektronik vid Linköpings universitet, campus Norrköping.

Med den globala energiutmaningen som drivkraft har han satt ihop ett ”dreamteam” av sju framgångsrika forskargrupper inom området organiska solceller och elektronik. Alla kommer från Linköpings universitet och är vana att arbeta ihop. Tillsammans, och med hjälp av ett femårigt projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, vill de ta fram en ny solcellskomponent som kan fånga infraröda strålar.

Fånga solens svans

Den del av solljusets spektrum som inte syns kallar Xavier Crispin för ”solens svans”, han visar en färgglad graf.

– Hälften av solenergin finns i den osynliga IR-svansen och det är den vi vill åt.

Organiska solceller kallas ofta plastsolceller eftersom de elektroniska komponenterna är tillverkade av organiska polymerer. I vätskeform bildar polymererna ett slags ”bläck” som kan tryckas på till exempel papper. Ännu finns plastsolcellerna inte på marknaden, men stora företag bland annat i Tyskland kommersialiserar tekniken.

En stor fördel är att de är tunna och böjbara, en annan är att de kan tillverkas av billiga och återvinningsbara material. Organiska solceller kräver dessutom mindre energi att producera än vanliga kiselsolceller, vilket ger lägre kostnader vid stora volymer, förklarar Mats Fahlman som är professor i ytors fysik och kemi.

– Tanken är att förbättra befintlig teknik genom att lägga till en IR-fångande komponent, säger han.

Billigare att massproducera

Det finns andra solcellsmaterial och teknologier som är mycket lovande och effektiva i IR-området. CICS-solceller till exempel, där det ljusabsorberande skiktet är en blandning av koppar, indium, gallium och selen.

– Dessvärre är indium, gallium och selen en begränsad naturresurs. Det går inte att producera solceller gjorda av de här materialen för de stora ytor som krävs för att klara framtidens energibehov, säger Xavier Crispin.

Nackdelen hittills med organiska solceller är låg verkningsgrad och att de har kort livslängd, det organiska materialen bryts generellt sett ned snabbt av det synliga ljuset.

– Men i IR-området handlar det om mycket lägre energi och det tål de organiska solcellerna jättebra och av den anledningen blir de väldigt attraktiva för det här ändamålet.

Flera spår

– Normalt sett tar man ett steg fram i forskningen, men tack vare att Stiftelsen vågar satsa på mer riskfylld forskning kan vi här ta flera kliv framåt. Det kommer kanske visa sig att vissa av idéerna är galna, men vi hoppas hitta något riktigt bra, säger Mats Fahlman.

Ett par av koncepten handlar om att fånga nära-IR-strålning där det finns mest energi och är lättare att få god verkningsgrad.

– Det finns två spår för att krypa in i IR-området. Antingen förändrar man molekylen eller så, som vi ska göra i min grupp, tar man existerande material och kombinerar dem på ett nytt sätt så att man får absorption av IR, berättar Mats Fahlman.

I ett annat koncept kommer man med nanoteknik att försöka designa en väldigt liten optisk antenn.

– Idén är att använda självorganiserande strukturer som finns inom biologin, dekorera dem med ledande molekyler och få en så kallad ”rectenna”, en kombination av likriktare och antenn som förvandlar elektromagnetisk strålning till likströmsspänning, säger Xavier Crispin under rundturen i det dammfria renlabbet där de små komponenterna ska tillverkas och testas.

Hans egen forskargrupp kommer att studera termoelektriska fenomen, som handlar hur man kan få elektricitet ur värme.

Starka på tryckt elektronik

I Norrköping finns sedan många år en ledande forsknings- och utvecklingsverksamhet inom området organisk elektronik. Två av forskningsledarna i projektet, Magnus Berggren och Olle Inganäs, är Wallenberg Scholars. Stiftelsen har också gett ett anslag till uppbyggnaden av det avancerade laboratoriet för tryckt elektronik i Norrköping.

Forskargrupperna har ett väloljat samarbete med forskningsinstitutet Acreo och Printed Electronics Arena, PEA, ett kommersialiseringscenter för tryckt och organisk elektronik. Dessa aktörer hjälper till att lotsa lovande forskningsresultat den långa vägen till färdig produkt eller spinoff-företag.

– De är dock inte med i det här projektet eftersom det är en helt ny teknologi. Men förhoppningsvis kommer vi kunna visa ett koncept som fungerar. Då fortsätter vi resan med dem, säger Xavier Crispin.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström