Världens energianvändning ökar i snabb takt, och därmed behovet av smarta och effektiva energiomvandlingsmetoder. Julia Wiktor vid Chalmers tekniska högskola trivs med att arbeta inom energiområdet, eftersom det berör så många och har stor betydelse för vårt samhälle. Som Wallenberg Academy Fellow arbetar hon för att bättre förstå olika material, framför allt halvledare som under vissa förhållanden kan leda elektricitet.

– Jag tycker verkligen om grundläggande fysik och att studera de atomer och elektroner som vår värld är uppbyggd av. Samtidigt vill jag skapa något som kan göra konkret nytta i samhället. Den kunskap vi tar fram banar väg för viktiga förbättringar av bland annat solcellsmaterial, som behövs här och nu. Det känns bra att tydligt kunna se forskningens användbarhet i närtid, säger hon.

Polaroner kan vara både ett hinder och en möjlighet

När solstrålar träffar solceller suger elektronerna i solcellsmaterialet upp energi från ljuset. Energin gör dem rörliga, och leder till att elektronerna börjar flöda genom materialet. Men i vissa fall börjar elektronerna att interagera med atomkärnorna i sin omgivning, och bildar så kallade polaroner. Julia Wiktor beskriver polaronerna som ett samspel som fångar in elektronerna och bromsar upp dess flöde genom materialet.

Även om polaroner har utforskats i årtionden är mycket fortfarande okänt om deras inverkan på olika typer av material. De kunskapsluckorna ska Julia Wiktor och hennes forskargrupp nu ta sig an i ett nytt projekt som i detalj ska granska hur varje atom och elektron i polaronerna beter sig.

– I polaronerna saktar elektronerna ner, något som oftast anses vara dåligt i solcellsmaterial där du vill få ut energin snabbt. Men samtidigt kan elektronerna överleva längre i den här formen, och dessutom skapa olika kemiska reaktioner på materialets yta. Vi vill fullt ut förstå polaronerna och hur de påverkar materialen och dess egenskaper. Den kunskapen behövs för att kunna använda polaronerna för att utforma solcellsmaterialen på bästa sätt, säger hon.

Framtidens solcellsmaterial har en bättre förmåga att absorbera ljus, och är mer komplexa i sin sammansättning än dagens kiselbaserade material. Förhoppningen är att de nya material som idag är under utveckling kan leda till betydligt effektivare, tunnare och mer flexibla solceller, som exempelvis kan täcka ytor som bärbar elektronik, ryggsäckar eller till och med hela byggnader.

Maskininlärning öppnar dörren till snabbare upptäckter

Julia Wiktors forskning fokuserar just på polaroner i framtidens komplexa solcellsmaterial. Det kräver bättre verktyg än de tidskrävande och dyra metoder som ofta används idag. Hennes forskargrupp utvecklar därför metoder som, med hjälp av datorsimuleringar av materialen tillsammans med maskininlärningsmetoder, gör det möjligt att genomföra snabba och effektiva analyser.

Anslaget ger en möjlighet att verkligen kunna fokusera på forskningen fullt ut, samtidigt som du blir en del av ett fantastiskt nätverk.

– Att studera polaroner under realistiska förhållanden tar tid, och är väldigt svårt att göra med vanliga standardmetoder. Allt handlar om att komma så nära verkligheten som möjligt. Vi behöver kunna granska varenda atom i materialet, och i realistiska situationer. Vår metod är en förutsättning för att lyckas, säger hon.

Målet är, som Julia Wiktor själv uttrycker det, att få full kontroll över polaronerna. För om det går att uppnå är mycket vunnet – inte bara för utvecklingen av solceller.

– När nya material ska tas fram kan vi förhoppningsvis förutse om polaronerna är bra eller dåliga för materialets syfte, och förstå hur vi kan utnyttja dem på bästa sätt. En omedelbar tillämpning är nya solcellsapplikationer, men bättre kunskap om polaroner kan få betydelse för många olika områden, exempelvis inom neuromorfisk databehandling, eller fotokatalys, säger hon.

Variation och oförutsägbarhet lockar

Matematikens värld och att lösa kluriga problem, har alltid lockat Julia Wiktor. Att hon till slut fastnade för fysik beror på att ämnesområdet kändes mindre idealiserat och mer kopplat till verkligheten.

– För mig kändes fysik lagom rörigt och oförutsägbart, säger hon.

Julia Wiktor, som föddes i Polen, har bland annat studerat och forskat i Frankrike och Schweiz innan hon fick en tjänst på Chalmers tekniska högskola. Här trivs hon bra.

– Jag gillar verkligen många värderingar i det svenska samhället: till exempel jämställdheten och den strävan efter oberoende och självständighet som jag upplever på många håll – och som även märks inom akademin. Vissa säger att svenskar är konflikträdda, men jag tror snarare det handlar om att det inte finns samma grund för att konflikter ska uppstå här, som det kan göra på andra håll, säger hon.

Att tilldelas ett anslag som Wallenberg Academy Fellow beskriver hon som både en ära och en dörröppnare för nya forskningsmöjligheter.

– Anslaget ger en möjlighet att verkligen kunna fokusera på forskningen fullt ut, samtidigt som du blir en del av ett fantastiskt nätverk, säger hon.

Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg