Solceller: Fredags-eksperiment gav forskere gennembrud

Hvad der startede som fredagshygge for to forskere fra DTU, kan muligvis have potentialet til at være starten til produktion af en ny generation af billige, organiske lysdioder og solceller. Det kan i sidste ende komme den almindelige forbruger til gode.

Det vurderer Morten Madsen, der er lektor i fysik ved Syddansk Universitet.

“Det er enormt spændende læsning. Der er bestemt mere at arbejde med. Potentielt kan det betyde, at man ikke behøver at bruge kostbare, sjældne metaller som f.eks. ruthenium i produktionen. Hvis det viser sig, at man i stedet kan bruge jern, er det en stor opdagelse,” siger han.

Det er også årsagen til, at opdagelsen netop er blevet publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature.

Men hvordan kom de to danskere overhovedet på idéen? Vi skal spole tiden omtrent et år tilbage. Kasper S. Kjær og Tobias C. B. Harlang fra DTU havde arbejdet på eksperimenter på Lund Universitet intensivt i cirka en uges tid. I lokalet tæt ved dem gik en syntesekemiker ved navn Yizhu Liu rundt og fremstillede systemer til deres eksperimenter. Men ofte hørte de ham gå og bande over et restprodukt, som blev til overs i hans produktion.

Restproduktet var smukke røde krystaller af et, på daværende tidspunkt, ukendt jernkompleks.

“Tobias (C. B. Harlang, red.) og jeg kiggede på hinanden, og vi blev hurtigt enige om, at det kunne være sjovt at se, hvordan dette nye kompleks klarede sig i forhold til de andre systemer, vi havde kigget på med vores laser i løbet af ugen. Det var fredag, og vi havde lavet det arbejde, vi var kommet for. Så vi havde fin tid,” forklarer Kasper S. Kjær.

Foto: Yizhu Liu

“Umiddelbart havde vi ikke regnet med at se noget særligt, så vi blev enormt overraskede over de resultater, vi fik. For det nye jernkompleks opførte sig radikalt anderledes end alt det, vi hidtil havde målt på,” siger han.

Det udmøntede sig i flere eksperimenter med jernkomplekset, og flere danske og udenlandske forskere blev koblet på, og måneders arbejde kulminerede torsdag d. 30. marts, da resultaterne blev publiceret i Nature. Projektet blev koordineret af professor Kenneth Wärnmark fra Lunds Universitet.

Eksperimentet gik i al sin enkelthed ud på at lyse på jernkomplekset med en laser og måle, hvilket lys jernkomplekset sendte tilbage – og ikke mindst: Hvor hurtigt jernkomplekset udsendte lys igen.

Hvis et materiale skal kunne bruges i en solcelle, skal der være en vis forsinkelse i denne proces. Ellers vil man ikke kunne nå at “høste” de frie elektroner, inden de udsender lys og igen henfalder til en bunden tilstand.

Laseren har den funktion, at den slår visse elektroner “løs” fra jernkomplekset. Når elektronerne er “frie”, har de mere energi end i en bunden tilstand. Den ekstra mængde energi kommer elektronerne af med igen ved at udsende lys. Det var det lys, som forskerne målte.

Jernkomplekset viste den ønskede forsinkelse, og det kan betyde, at det kan bruges i organiske farvestof-solceller.

“Hidtil har man skullet bruge sjældne metaller, så som ruthenium og platin, i  i farvestofsolceller, for at de “frie” elektroner kan leve længe nok. Det er spændende, at de har kunnet gøre det med jern, som er et så meget mere tilgængeligt materiale,” siger Morten Madsen.

Farvestofsolceller er en hybrid af uorganisk og organisk materiale, men deres egenskaber minder meget om en “klassisk” organisk solcelle.

Det giver store perspektiver, fordi markedsprisen på jern er langt lavere end prisen på ruthenium og platin.

Priserne på ruthenium og platin op, er i skrivende stund henholdsvis 47 og 957 dollars for 31 gram. Til sammenligning er prisen på sølv godt 18 dollars for samme mængde, mens jern kan erhverves for 87 dollars for et ton.

“Resultatet af målingerne er så spændende, at de bør gå videre med det. Der er selvfølgelig langt fra at have lavet eksperimentet og til, at man kan bruge det industrielt. Man skal lave mange flere målinger, måske på andre jernkomplekser, og så kan man måske lave en prototype, som igen skal gennemtestes,” siger Morten Madsen.

Det er også ambitionen for Kasper S. Kjær. Han netop i færd med at lave en ansøgning til Det Fri Forskningsråd på 4 mio. kr. Han er overbevist om, der er potentiale til videre forskning.

“Det her er kun starten. Nu må vi se, hvor langt vi kan komme med dette eller et lignende jernkompleks.”