Fotonopkonvertering kan udvide potentialet for solhydrogen

Når det gælder om at omdanne sollys til brugbar energi, har der været stor fokus på fotovoltaik, da dette er en metode, der kan omdanne en stor del af solens energiproduktion til elektricitet.

Dette betyder dog ikke, at det er den mest effektive løsning for alle anvendelser. For eksempel, hvis målet er at producere grønt hydrogen, skaber det en flertrinsproces, hvor effektiviteten går tabt i hvert trin: sollys → strøm → transmission → elektrolyse → hydrogen.

Derfor er forskellige tilgange blevet undersøgt, især ved at bruge sollys direkte til at omdanne vand til hydrogen, en proces kendt som fotokatalyse.

Problemet er, at selv med de rette katalysatorer er størstedelen af sollyset i det synlige og infrarøde område, som simpelthen ikke er energirige nok til at splitte vandmolekyler til hydrogen. Så selv med siliciumkarbid, der øger fotokatalyseeffektiviteten, er det stadig ikke ideelt. I høj grad er kun den ultraviolette (UV) del af lysspektret stærk nok.

Dette er grunden til, at opdagelsen af japanske forskere ved Kyushu University og Institute for Molecular Science, SOKENDAI, om at en ny faststofmetode kunne bruges til at øge fotonenergieniveauer, kan blive en spilskifter for fremtidig produktion af grønt hydrogen. De offentliggjorde deres resultater i det prestigefyldte tidsskrift Nature Communications¹, under titlen “Sterisk beskyttede π-elektronsystemer for effektiv faststof-fotonopkonvertering”.

Fra synligt til UV-lys

Photokatalyse af vand til hydrogen kunne radikalt øge produktionen af grøn energi. Dette skyldes, at grønt hydrogen er et nøgleelement, der mangler til lagring af energi over uger og måneder med lavt sollys eller ingen vind, og også den perfekte brændstof til afkarbonisering af sektorer som skibsfart og luftfart, enten direkte eller gennem produktion af ammoniak og kunstigt brændstof. Men desværre er kun UV stærk nok til at udføre fotokatalyse.

“Selvom uorganiske fotokatalysatorer, der bruger ultraviolet (UV) lys, har opnået høj effektivitet i fotokatalytisk vandspaltning, lider de under den lave UV-fraktion i sollys (omkring 3 % for området 300–400 nm).”

Men alternativet kan være ikke en bedre katalysator, men at omdanne det meget mere udbredte synlige lys til UV, eller “fotonopkonvertering”.

Forskerne fokuserede på en proces kaldet triplet–triplet annihilation-baseret fotonopkonvertering (TTA-UC). I sin simpleste forklaring kombinerer dette to lavenergifotoner til en enkelt, højere-energifoton ved at lade dem blive absorberet af et acceptormolekyle, før de genudsendes.

Kilde: Nature

Optimering af fotonopkonverteringsstabilitet

Fra væske til krystaller

Indtil nu har metoder til opkonvertering ved brug af molekyler som  1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) og 2,5-diphenyloxazole (PPO) gode kvanteudbytter (ΦUC), men opløsningsmidlers flygtighed udgør en kritisk begrænsning for enhedsapplikationer og langsigtet brug.

En praktisk løsning er i stedet at bruge stabile materialer, der kan implementeres i stor skala med minimal eller ingen vedligeholdelse, så hele felter af fotokatalytiske omformere kan anvendes til masseproduktion af grønt hydrogen.

I krystaller og faste acceptorer kan et fænomen kaldet singlet‑quenching reducere kvanteudbyttet.

Forskerne har anvendt alkylkæde‑substitution (tilføjelse af længere kulstofkæder) i de organiske molekyler, der bruges som acceptorer, for at øge både stabiliteten og reducere forekomster af singlet quenching.

Kilde: Nature

Måling af krystalpræstationer

Forskerne brugte et molekyle kaldet DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) med en næsten perfekt kvanteudbytte på 96 % i væskeform (opløsning). Men udbyttet falder normalt kraftigt i krystalform.

Ved at tilføje de ekstra kulstofkæder til molekylet kan krystalformen af DHI nå kvanteudbytter så høje som 64 %‑69 %. Disse høje resultater indikerer, at donor‑molekylerne er jævnt fordelt inden for acceptor‑krystallen, hvilket muliggør effektiv triplet‑sensibilisering.

Kilde: Nature

Materialet kan også fremstilles med simple film‑dannende teknikker, såsom støbning ved stuetemperatur og spin‑coating, uden at kræve nogen særlig varmebehandling, hvilket gør det mere sandsynligt at være relevant for fremtidige industrielle stor‑skala anvendelser.

Processen er også ilt‑tolerant og kræver endda ilt, hvilket betyder, at den ikke behøver at foregå i et forseglet, ilt‑frit miljø, et andet vigtigt element for kommercielle anvendelser.

“TTA-UC aktiveres, når ilt i systemet forbruges ved omdannelse til singlet‑ilt. iBu‑DHI/Ir(ppy)3‑filmen viste opkonvertering i luft selv under intens bestråling (λdt = 370 nm, Iex = 2,0 W cm⁻²) i mere end 1 t.”

Kilde: Nature

Krystallernes præstation afhænger generelt af den mikroskopiske struktur på atomart niveau. Så forskerne udførte først teoretiske beregninger for at bestemme den sandsynlige struktur af disse krystaller.

Derefter testede de krystallen med røntgenkrystallografi og fandt, at røntgendiffraktionsmønstrene for enkeltkrystallerne og dem for spin‑coated‑filmene var ens, hvilket demonstrerer, hvorfor denne metode virkede.

Kilde: Nature

Dette betyder ikke, at krystallerne ikke kan optimeres yderligere, med endnu højere udbytte teoretisk muligt ved en mere præcis metode til at kontrollere dannelsen af de enkelte krystaller og deres organisering i et tyndt lag.

“Præstationen af det nuværende faststof Vis‑til‑UV TTA‑UC‑system kan yderligere forbedres ved at optimere donor‑molekylstrukturen og anvende en kontrolleret krystallisationsproces.”

Fremtidige anvendelser

I øjeblikket domineres hydrogenproduktion af “gråt hydrogen”, der produceres fra fossile brændstoffer, og en lille men voksende del fremstilles fra vedvarende energi, eller “grønt hydrogen”, som stadig har svært ved at være økonomisk konkurrencedygtigt med andre brændstoffer.

I sidste ende kan direkte udnyttelse af sollys til at producere hydrogen, uden massiv strømoverførsel, batterier, kabler og elektrokatalysatorer, kraftigt reducere den samlede pris for en sådan installation. Ingen mellemliggende trin vil også forbedre den samlede energieffektivitet i produktionen af grønt hydrogen, et alvorligt problem ved metoder, der bruger elektrokatalyse.

“Designprincippet for de π‑beskyttede DHI‑kromoforer udviklet i denne undersøgelse vil blive bredt udvidet til forskellige kromoforer. Det muliggør fremragende TTA‑UC‑egenskaber i tynde film fremstillet ved simple spin‑coating‑ og dryp‑casting‑metoder, baner vejen for brede anvendelser og lover at revolutionere fotofunktionel kemi, der involverer exciterede tripletter.”

Sådanne nye faststofmaterialer med god stabilitet kunne gøre kommercielt levedygtige næste‑generations fotoniske materialer ved at omdanne lav‑intensitet, udbredte fotoner til hydrogen‑genererende, høj‑intensitet UV‑fotoner.

Investering i avanceret solenergi

First Solar

I øjeblikket produceres de fleste af verdens fotovoltaikpaneler i Kina, takket være landets omfattende økosystem inden for produktion af polysilicium og fremstilling af solceller.

Der findes dog anden teknologi end silicium‑baserede solceller, og en af de overlevende i solenergiindustrien i Vesten, First Solar, er førende på dette område ved at bruge cadmium‑tellurid‑solceller. De er både lettere at producere (tyndfilm‑teknologi) og har en højere effektivitet end silicium‑baserede celler, omend med højere omkostninger til deres råmateriale.

Denne type celle er også mere holdbar, hvilket kan ændre ligningen for både boligejere og forsyningsselskaber, når de beregner levetidsomkostningerne for en solcelle og dens afskrivning. Dette er især sandt, da den hurtige fremgang i solcelleudbytte og faldende omkostninger har aftaget i de sidste par år.

Kilde: First Solar

Da produktionen af cadmium‑tellurid‑celler er en mest muligt automatiseret fremstillingsproces, er den relativt mindre følsom over for forskelle i arbejdskraftomkostninger. Dette kan gøre produktionen i vestlige lande meget mere konkurrencedygtig, især når de sælges lokalt, og det fjerner forsendelsesomkostninger fra ligningen.

I stedet for flere fabrikker, hvor hver aktør er specialiseret i et segment som polysilicium‑rensning, og hvor det tager mange dage at producere en solcelle, kan First Solar gå fra råmaterialer til færdigt produkt på under 4 timer.

Kilde: Department Of Energy

På længere sigt forventer First Solar at kunne fuldt genanvende cadmium‑telluriden fra gamle celler, og 90 % af de samlede solceller. De resterende 5‑10 % af det genanvendte modulaffald består primært af fine glaspartikler, som opsamles af støvkontrolsystemer og High‑Efficiency Particulate Air (HEPA) filtreringssystemer.

Dette kan reducere materialomkostningerne, fjerne den økologiske omkostning ved ressourceudvinding og fjerne enhver risiko for forurening.

“Med hvert solmodul, der sælges, sælger vi også tjenesten, hvor vi henter modulerne ved slutningen af deres levetid og genanvender dem. Det var i bund og grund 8 år før reguleringen kom i Europa. Vi har nu direktivet om elektronisk affald, hvor PV er en del af det.”

Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Udover cadmium‑tellurid undersøger First Solar også endnu mere avanceret solcelleteknologi, såsom perovskit‑ og cadmium‑tellurid‑perovskit‑hybrideceller, som kan have højere effektivitet og endnu større holdbarhed.

På længere sigt kan First Solars erfaring med at producere tyndfilm‑fotovoltaikpaneler også anvendes på fotokatalytiske celler til hydrogenproduktion.

Alt i alt er First Solar en fremragende aktie for investorer, der ønsker at investere i solenergi‑boom’en med fokus på vestlige producenter i stedet for de mere geopolitisk følsomme kinesiske producenter.

(Du kan læse mere om First Solar i vores investeringsrapport dedikeret til virksomheden og om solenergi i vores rapport “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

Seneste First Solar (FSLR) aktienyheder og udviklinger

Studie refereret

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sterisk beskyttede π-elektronsystemer for effektiv faststof-fotonopkonvertering. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}