– Vi tror disse solcellene har en fremtid, og kjemien er utrolig spennende, sier Audun Formo Buene. Foto: Per Henning, NTNU

De vakreste solcellene er inspirert av naturen

De kalles organiske solceller, er lette å forme og billige å lage. De ikke er like effektive som de vanlige solcellene vi kjenner, men fungerer bedre når lyset er svakt, som innendørs.

Kjemikerne ved NTNU forsker på en type organiske solceller som er fargestoffbaserte. De henter inspirasjon fra molekyler i naturen som planter bruker når de fanger sollys, og gjenskaper lignende strukturer i laboratoriet.

Organiske forbindelser

  • Organiske forbindelser er i hovedsak alle kjemiske forbindelser som inneholder karbon.
  • Unntak finnes, som karbondioksid, karbonmonoksid, karbonatsalter og karbider, som regnes som uorganiske forbindelser.
  • Skillet mellom organiske og uorganiske forbindelser er historisk betinget ved at kjemiske forbindelser som inngår i livsprosesser oftest inneholder karbon. Stoffene i den øvrige delen av naturen ble betegnet som uorganiske, altså livløse.

Kilde: snl.no

I kappløpet om å lage mest mulig effektive solceller til utendørs bruk kommer derimot fargestoffsolcellene dårlig ut. Til det er silisiumsolceller for effektive.

Heldigvis fungerer de organiske solcellene bedre når lyset er svakt, for eksempel inne, så her er det innendørs solceller som gjelder.

Fordelene innendørs

Inne kommer de organiske solcellene til sin fulle rett. Sammenlignet med silisiumbaserte solceller har de enorm effekt i innendørs lys, de kan gjøres formbare, gjennomsiktige eller produseres i ulike farger. I dag ser vi derfor stor etterspørsel etter organiske solceller basert på grønne og blå fargestoffer. Utenlandske selskaper som H.Glass jobber mot å kommersialisere bygningsintegrerte fargestoffsolceller. Her er estetikken mye viktigere.

Et annet mulig innendørs bruksområde for organiske solceller er at de kan gi strøm til ulike komponenter koblet til «tingenes internett», som ulike sensorer i smarthus. Det kan også tenkes at organiske solceller kan brukes til å gi for eksempel lesebrett og laptoper evig batteritid og gjøre ladning unødvendig.

– Vi fortsetter å forske på denne teknologien selv om andre solceller er mer effektive for utendørs bruk. Det er fordi vi tror disse solcellene har en fremtid, og fordi kjemien er utrolig spennende. Vårt fagfelt er jo organiske reaksjoner, sier Audun Formo Buene, nylig uteksaminert doktor ved Institutt for kjemi.

Forskningsområdet kombinerer organisk kjemi, materialteknologi, elektronikk og fysikk, så dette krever tverrfaglighet. Men hva er det egentlig de lager?

Mange typer

En organisk solcelle er bygget litt som en sandwich mellom to glassplater som leder strøm: Et tynt lag med porøse titanoksidpartikler gir en stor overflate med plass til mange fargestoff. Når de fanger lys, gir fargestoffene fra seg et elektron, og kretsen kan sluttes med en elektrolyttløsning.

Det finnes mange typer organiske solceller. De bruker forskjellige organiske materialer for å fange sollyset: fargestoffsolceller, polymerer eller organiske halid-perovskitter.

NTNU fortsetter å forske på denne teknologien selv om andre solceller er mer effektive for utendørs bruk. Innendørs finnes et marked. Foto: Nils Heldal, NTNU

Perovskitt tar over

Et annet aspekt med organiske solceller er at forskningen som gjøres, er viktige byggesteiner på veien mot en annen potensiell solcellerevolusjon: mineralet perovskitt.

Perovskitter er en type materiale med en helt bestemt krystallstruktur. Mineralet har mange bruksområder, og finnes blant annet ofte i superledere.

Ved å bytte ut fargestoffmolekyler med perovskitt er det mulig å få svært effektive solceller, selv om stabilitet over tid har vært en utfordring for denne teknologien.

I laboratorieforsøk har perovskittsolceller nylig blitt målt til effektiviteter på høyde med silisiumsolceller.

– Siden gjennombruddet med perovskitt har det vært stor konkurranse mellom forskningsmiljøer. Alle ønsker å bli de første til å lage stabile og effektive perovskittsolceller. Men miljøet ved NTNU holder altså fast ved de fargestoffbaserte solcellene.Det at den store interessen nå er rettet mot perovskitt, gjør at det blir mindre hemmelighold og mer samarbeid blant forskningsmiljøer som jobber med de andre typene organiske solceller, sier Buene.

Effektivitet er viktig uansett

Effektivitet er uansett det viktigste for alle solceller, og hovedarbeidet til Buene og kollegene er derfor å få effektiviteten høyere. Fargestoffmolekylene må være tilpasset lysspekteret, men de må også være stabile i flere år inne i solcellen.

Forskningsgruppen på NTNU har jobbet mye med en fargestoffklasse som tilhører fenotiazingruppen. Fargestoffene er ofte vakre dyprødt glinsende pulver eller krystaller. Forskningsfunnene deres på disse molekylene tilsier at det ikke er så mye å hente på videre utvikling av dette fargestoffet. De har derfor begynt å undersøke en annen stoffklasse.

Legger puslespill med egne brikker

Buene har gått systematisk til verks: studert ulike atomgrupper, endret sammensetningen i ulike deler av molekylstrukturen. Målet er å forstå hva som gjør et fargestoff bra eller dårlig, og hvordan man kan lage bedre fargestoff i fremtiden. Dette er litt som et puslespill hvor han lager puslespillbrikkene selv, før han prøver å finne ut om – og i så fall hvor – de passer. 

Fremdeles gjenstår mye arbeid før solcellene blir effektive og billige nok tilå  gjøre teknologien til allemannseie. Imidlertid jobber flere selskaper med å kommersialisere teknologien, og kanskje en dag vil du ha disse solcellene i din egen stue.

Kilder:
Auxiliary donors for phenothiazine sensitizers for dye-sensitized solar cells – how important are they really? 

Effect of furan π-spacer and triethylene oxide methyl ether substituents on performance of phenothiazine sensitizers in dye-sensitized solar cells