Valonsäteilyn ylikonversio voisi laajentaa aurinkovetyjen potentiaalia

Kun puhutaan auringonvalon muuntamisesta hyödylliseksi energiaksi, suuri osa ponnisteluista on kohdistunut fotovoltaiikkaan, koska se on menetelmä, joka voi muuntaa suuren osan Auringon energiasta sähköksi.

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että se olisi kaikkein tehokkain vaihtoehto kaikissa sovelluksissa. Esimerkiksi, jos tavoitteena on tuottaa vihreää vetyä, syntyy monivaiheinen prosessi, jossa tehokkuutta menetetään jokaisessa vaiheessa: auringonvalo → sähkö → siirto → elektrolyysi → vety.

Siksi erilaisia lähestymistapoja on tutkittu, erityisesti auringonvalon suoraa käyttöä veden muuntamiseksi vedyksi, prosessia, jota kutsutaan fotokatalyysiksi.

Ongelma on, että vaikka oikeat katalyytit olisivat käytössä, suurin osa auringonvalosta on näkyvässä ja infrapuna‑alueessa, jotka eivät ole riittävän energisiä veden molekyylien jakamiseen vedyksi. Joten vaikka piisirun tehostama fotokatalyysin tehokkuus on olemassa, se ei ole vielä ihanteellinen. Suurimmaksi osaksi vain ultravioletti (UV) valon osa on tarpeeksi voimakas.

Tämä selittää, miksi japanilaisten tutkijoiden Kyushu‑yliopistosta ja Institute for Molecular Science, SOKENDAI, tekemä löytö, että uusi kiinteän aineen menetelmä voitaisiin käyttää fotonien energiatason nostamiseen, voi olla mullistava tulevaisuuden vihreän vedyn tuotannossa. He julkaisuivat tuloksensa arvostetussa lehdessä Nature Communications¹, otsikolla “Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion”.

Näkyvästä UV‑valoon

Photocatalysis of water into hydrogen could radically boost green energy production. This is because green hydrogen is a key missing element for storing energy over weeks and months of low sunlight or no wind, and also the perfect fuel for decarbonizing sectors like shipping and air flight, either directly or through the production of ammonia and artificial fuel. But unfortunately, only UV is strong enough to perform photocatalysis.

“Although inorganic photocatalysts using ultraviolet (UV) light have achieved high-efficiency photocatalytic water splitting, they suffer from the low UV fraction in sunlight (about 3% for the 300–400 nm range).”

But the alternative could be not a better catalyst, but converting the much more abundant visible light into UV, or “photon upconversion”.

The researchers focused on a process called triplet‑triplet‑annihilation-based photon upconversion (TTA-UC). In its simplest explanation, this merges two low-energy photons into a single, higher-energy photon by having them absorbed by an acceptor molecule before being reemitted.

Lähde: Nature

Fotoniylikonversion vakauden optimointi

Nestemäisestä kiteisiin

So far, methods for upconversion using molecules like  1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) and 2,5-diphenyloxazole (PPO) have good quantum yields (ΦUC), but solvent volatility poses a critical limitation for device applications and long‑term use.

A practical solution is instead needing stable materials that can be deployed at scale, with minimal to no maintenance, so that entire fields of photocatalytic converters can be deployed to mass produce green hydrogen.

In crystals and solid acceptors , a phenomenon called singlet quenching can reduce quantum yield.

Tutkijat ovat käyttäneet alkyyliketjujen korvausta (lisäämällä pidempiä hiiliketjuja) orgaanisissa molekyyleissä, joita käytetään vastaanottajina, lisätäkseen sekä vakautta että vähentääkseen singlet‑tuhennuksen esiintymistä.

Lähde: Nature

Kiteiden suorituskyvyn mittaaminen

Tutkijat käyttivät molekyyliä nimeltä DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene), jolla on lähes täydellinen 96 % kvantti‑tuotto nestemäisessä muodossa (liuoksessa). Mutta kiteisessä muodossa tuotto yleensä heikkenee merkittävästi.

Kun molekyyliin lisätään ylimääräisiä hiiliketjuja, DHI:n kiteinen muoto voi saavuttaa kvantti‑tuoton 64 %–69 %:n. Nämä korkeat tulokset osoittavat, että lahjomolekyylit jakautuvat tasaisesti vastaanottajakiteen sisällä, mahdollistaen tehokkaan triplet‑herkistymisen.

Lähde: Nature

Materiaalin voidaan myös valmistaa yksinkertaisilla kalvotekniikoilla, kuten huoneenlämpöisellä valssauksella ja pyöröpinnoituksella, ilman erityisiä lämpökäsittelyjä, mikä tekee siitä todennäköisemmin soveltuvan tuleviin teollisiin massatuotantosovelluksiin.

Prosessi on myös happi‑toleranssi ja jopa vaatii sitä, mikä tarkoittaa, että sen ei tarvitse tapahtua suljetussa, happivapaassa ympäristössä – toinen tärkeä tekijä kaupallisten sovellusten toteuttamisessa.

“TTA‑UC käynnistyy, kun järjestelmän happi kulutetaan muuntamalla se singlet‑hapeksi. iBu‑DHI/Ir(ppy)3 -kalvo osoitti ylikonversiota ilmassa jopa voimakkaan säteilyn (λdt = 370 nm, Iex = 2,0 W cm⁻²) alla yli tunnin ajan.”

Lähde: Nature

Kiteiden suorituskyky riippuu yleisesti mikroskooppisesta rakenteesta atomitasolla. Siksi tutkijat suorittivat ensin teoreettisia laskelmia määrittääkseen näiden kiteiden todennäköisen rakenteen.

He testasivat sitten kiteen röntgenkristallografiaa käyttäen ja havaitsivat, että yksittäisten kiteiden röntgendiffraktiokuvio ja pyöröpinnoitettujen kalvojen kuviot olivat samankaltaisia, mikä selitti menetelmän toimivuuden.

Lähde: Nature

Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että kiteitä ei voisi optimoida edelleen; vielä korkeampi tuotto on teoreettisesti mahdollinen tarkemmalla menetelmällä, joka hallitsee yksittäisten kiteiden muodostumista ja niiden järjestämistä ohutkerroksessa.

“Nykyisen kiinteän aineen Vis‑UV‑TTA‑UC‑järjestelmän suorituskykyä voitaisiin edelleen parantaa optimoimalla lahjomolekyylin rakennetta ja käyttämällä hallittua kiteytymisprosessia.”

Tulevaisuuden sovellukset

Tällä hetkellä vedyn tuotantoa hallitsee “harmaa vety”, joka tuotetaan fossiilisista polttoaineista, ja pieni mutta kasvava osuus valmistetaan uusiutuvasta energiasta tai “vihreästä vedystä”, joka edelleen kamppailee taloudellisen kilpailukyvyn kanssa muihin polttoaineisiin verrattuna.

Lopulta auringonvalon suora hyödyntäminen vedyn tuotannossa ilman massiivista energiansiirtoa, akkuja, kaapeleita ja elektrokatalyyttejä voisi merkittävästi alentaa tällaisen asennuksen kokonaiskustannuksia. Välikäsien puuttuminen parantaisi myös vihreän vedyn tuotannon kokonaisenergiankäyttöä, mikä on vakava ongelma elektrokatalyysimenetelmillä.

“Tässä tutkimuksessa kehitetyn π‑suojatun DHI‑kromoforin suunnitteluperiaate laajenee laajasti erilaisiin kromoforeihin. Se mahdollistaa erinomaiset TTA‑UC‑ominaisuudet ohutkalvoissa, jotka on valmistettu yksinkertaisilla pyöröpinnoitus‑ ja tiputustekniikoilla, raivaa tietä laajoille sovelluksille ja lupaa mullistaa valofunktionaalisen kemian, jossa on eksitoituneita triplettejä.”

Tällaiset uudet kiinteän aineen materiaalit, joilla on hyvä vakaus, voisivat tehdä kaupallisesti kannattavia seuraavan sukupolven fotonisia materiaaleja, jotka muuntavat matala‑intensiteettisiä, runsaasti saatavilla olevia fotoneja vetyä tuottaviksi, korkea‑intensiteettisiksi UV‑fotoniksi.

Sijoittaminen kehittyneeseen aurinkoenergiaan

First Solar

Tällä hetkellä suurin osa maailman fotovoltaiikkapaneeleista valmistetaan Kiinassa, kiitos maan laajan ekosysteemin polysilikonin tuotannossa ja aurinkokennojen valmistuksessa.

Kuitenkin on olemassa myös muita teknologioita kuin piipohjaiset aurinkokennot, ja yksi länsimaisen aurinkoenergia‑alan selviytyjistä, First Solar, johtaa tällä alalla käyttäen kadmium‑teluridi‑aurinkokennoja. Ne ovat helpommin tuotettavissa (ohutkalvoteknologia) ja niillä on korkeampi hyötysuhde kuin piipohjaisilla kennoilla, vaikka niiden raaka‑ainekustannukset ovatkin korkeammat.

Tämäntyyppinen kenno on myös kestävämpi, mikä voi muuttaa yhtälöä sekä kotitalouksille että energiayhtiöille laskettaessa aurinkokennon elinkaarikustannuksia ja sen poistoa. Tämä on erityisen totta, koska aurinkokennojen hyötysuhteen nopea kehitys ja kustannusten lasku on hidastunut viime vuosina.

Lähde: First Solar

Koska kadmium‑teluridi‑kennojen tuotanto on enimmäkseen automatisoitu valmistusprosessi, se on suhteellisen vähemmän herkkä työvoimakustannusten eroille. Tämä voi tehdä sen tuotannosta länsimaissa paljon kilpailukykyisempaa, erityisesti kun ne myydään paikallisesti, ja se poistaa toimituskustannukset yhtälöstä.

Sen sijaan, että olisi useita tehtaita, joissa kukin toimija on erikoistunut yhteen segmenttiin, kuten polysilikonin puhdistukseen, ja aurinkokennon valmistukseen kuluu useita päiviä, First Solar voi siirtyä raaka‑aineista valmiiseen tuotteeseen alle neljässä tunnissa.

Lähde: Department Of Energy

Pitkällä aikavälillä First Solar odottaa pystyvänsä kierrättämään kadmium‑teluridin täysin vanhoista soluista, ja 90 % kaikista aurinkokennoista. Jäljelle jäävä 5‑10 % kierrätetystä moduulijätteestä koostuu pääasiassa hienosta lasijauheesta, joka kerätään pölynhallintajärjestelmillä ja High‑Efficiency Particulate Air (HEPA) -suodatusjärjestelmillä.

Tämä voisi vähentää materiaalikustannuksia, poistaa resurssien louhinnan ekologisen hinnan ja eliminoida mahdolliset saasteriskit.

“Jokaisen myydyn moduulin myötä myymme myös palvelun, jossa noudamme elinkaaren lopussa olevat moduulit ja kierrätämme ne. Tämä tapahtui noin kahdeksan vuotta ennen kuin Euroopassa tuli sääntely. Meillä on nyt elektroniikkajätedirektiivi, jossa PV on osa sitä.” Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Kadmi­um‑teluridin lisäksi First Solar tutkii myös kehittyneempiä aurinkokenno‑teknologioita, kuten perovskiittia ja kadmium‑teluridi‑perovskiitti‑hybridisoluja, jotka voisivat tarjota korkeampaa hyötysuhdetta ja vielä suurempaa kestävyyttä.

Pitkällä aikavälillä First Solarin kokemus ohutkalvoisten fotovoltaiikkapaneelien tuotannosta voitaisiin myös soveltaa fotokatalyyttisiin soluihin vedyn tuotannossa.

Kaiken kaikkiaan First Solar on erinomainen osake sijoittajille, jotka haluavat sijoittaa aurinkoenergia‑buumiin keskittyen länsimaisiin tuottajiin sen sijaan, että valitsisivat geopoliittisesti herkempiä kiinalaisia tuottajia.

(Voit lukea lisää First Solarista yritykselle omistetussa sijoitusraportissamme ja aurinkoenergiasta raportissamme “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

Viimeisimmät First Solar (FSLR) osakeuutiset ja kehitykset

Viitattu tutkimus

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73898-0}