Fotonoppskalering kan utvide solhydrogenpotensialet

Når det gjelder å omdanne sollys til nyttig energi, har mye innsats blitt rettet mot fotovoltaikk, da dette er en metode som kan konvertere en stor del av solens energiproduksjon til elektrisitet.

Dette betyr imidlertid ikke at dette er det mest effektive alternativet for alle anvendelser. For eksempel, hvis målet er å produsere grønt hydrogen, skaper dette en flertrinnsprosess hvor effektiviteten går tapt i hvert trinn: sollys → strøm → overføring → elektrolyse → hydrogen.

Dette er grunnen til at ulike tilnærminger har blitt undersøkt, spesielt ved å bruke sollys direkte til å omdanne vann til hydrogen, en prosess kjent som fotokatalyse.

Problemet er at selv med de rette katalysatorene er mesteparten av sollyset i det synlige og infrarøde området, som simpelthen ikke er energirike nok til å splitte vannmolekyler til hydrogen. Så selv med silisiumkarbid som øker fotokatalyseeffektiviteten, er det fortsatt ikke ideelt. I stor grad er kun den ultrafiolette (UV) delen av lysspekteret sterk nok.

Dette er grunnen til at oppdagelsen av japanske forskere ved Kyushu University og Institute for Molecular Science, SOKENDAI, om at en ny faststoffmetode kan brukes til å øke fotonenergienivåer, kan bli en spillveksler for fremtidig grønn hydrogenproduksjon. De publiserte sine resultater i det prestisjefylte tidsskriftet Nature Communications¹, med tittelen “Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion”.

Fra synlig til UV-lys

Fotokatalyse av vann til hydrogen kan radikalt øke produksjonen av grønn energi. Dette skyldes at grønt hydrogen er et nøkkelmanglende element for lagring av energi over uker og måneder med lite sollys eller ingen vind, og også det perfekte drivstoffet for å dekarbonisere sektorer som shipping og luftfart, enten direkte eller gjennom produksjon av ammoniakk og kunstig drivstoff. Men dessverre er kun UV sterkt nok til å utføre fotokatalyse.

“Selv om uorganiske fotokatalysatorer som bruker ultrafiolett (UV) lys har oppnådd høy effektivitet i fotokatalytisk vannsplitting, lider de av den lave UV-andelen i sollys (omtrent 3 % for området 300–400 nm).”

Men alternativet kan være ikke en bedre katalysator, men å konvertere det mye mer abundante synlige lyset til UV, eller «fotonoppskalering».

Forskerne fokuserte på en prosess kalt triplet–triplet annihilation-basert fotonoppskalering (TTA-UC). I sin enkleste forklaring kombinerer dette to lavenergifotoner til en enkelt, høyere energifoton ved at de absorberes av et akseptormolekyl før de blir reutsendt.

Kilde: Nature

Optimalisering av fotonoppskaleringens stabilitet

Fra væske til krystaller

Så langt har metoder for oppskalering ved bruk av molekyler som 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) og 2,5-diphenyloxazole (PPO) gode kvanteutbytter (ΦUC), men løsningsmiddelets volatilitet utgjør en kritisk begrensning for enhetsapplikasjoner og langsiktig bruk.

En praktisk løsning er i stedet å trenge stabile materialer som kan distribueres i stor skala, med minimal eller ingen vedlikehold, slik at hele felt med fotokatalytiske omformere kan settes i drift for masseproduksjon av grønt hydrogen.

I krystaller og faste akseptorer kan et fenomen kalt singlet‑quenching redusere kvanteutbyttet.

Forskerne har brukt alkylkjede‑substitusjon (tilsetting av lengre karbonkjeder) i de organiske molekylene som brukes som akseptorer for å øke både stabilitet og redusere forekomster av singlet quenching.

Kilde: Nature

Måling av krystallprestasjoner

Forskerne brukte et molekyl kalt DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) med nesten perfekt 96 % kvanteutbytte i væskeform (løsning). Men det faller vanligvis kraftig i utbytte i krystallform.

Når ekstra karbonkjeder tilsettes molekylet, kan krystallformen av DHI oppnå kvanteutbytter så høye som 64 %–69 %. Disse høye resultatene indikerer at donor‑molekylene er jevnt fordelt innenfor akseptor‑krystallen, noe som muliggjør effektiv triplet‑sensitisering.

Kilde: Nature

Materialet kan også produseres med enkle filmdannende teknikker, som støping ved romtemperatur og spin‑coating, uten å kreve noen spesiell varmebehandling, noe som gjør det mer sannsynlig å være relevant for fremtidige industrielle storskalapplikasjoner.

Prosessen er også oksygen‑tolerant og krever til og med oksygen, noe som betyr at den ikke trenger å foregå i et forseglet, oksygenfritt miljø, et annet viktig element for kommersielle anvendelser.

“TTA-UC aktiveres når oksygen i systemet forbrukes ved omdannelse til singlet‑oksygen. iBu‑DHI/Ir(ppy)3‑filmen viste oppskalering i luft selv under intens bestråling (λdt = 370 nm, Iex = 2,0 W cm–2) i mer enn 1 t.”

Kilde: Nature

Krystallenes ytelse avhenger generelt av den mikroskopiske strukturen på atomnivå. Så forskerne utførte først teoretiske beregninger for å bestemme den sannsynlige strukturen til disse krystallene.

Deretter testet de krystallen med røntgenkrystallografi og fant at røntgendiffraksjonsmønstrene til enkeltkrystallene og de av spin‑coated‑filmene var like, noe som demonstrerer hvorfor denne metoden fungerte.

Kilde: Nature

Dette betyr ikke at krystallene ikke kan optimaliseres ytterligere, med enda høyere utbytte teoretisk mulig ved en mer presis metode for å kontrollere dannelsen av de individuelle krystallene og deres organisering i et tynt lag.

“Ytelsen til det nåværende faststoff‑Vis‑til‑UV TTA‑UC‑systemet kan forbedres ytterligere ved å optimalisere donor‑molekylstrukturen og benytte en kontrollert krystallisasjonsprosess.”

Fremtidige anvendelser

For tiden domineres hydrogenproduksjon av «grått hydrogen» produsert fra fossilt brensel, og en liten men voksende andel er laget fra fornybar energi, eller «grønt hydrogen», som fortsatt sliter med å være økonomisk konkurransedyktig med andre drivstoff.

I siste instans kan direkte utnyttelse av sollys til å produsere hydrogen, uten omfattende kraftoverføring, batterier, kabler og elektrokatalysatorer, redusere totalprisen for en slik installasjon betydelig. Ingen mellomtrinn vil også forbedre den samlede energieffektiviteten i grønn hydrogenproduksjon, et alvorlig problem med metoder som bruker elektrokatalyse.

“Designprinsippet for de π‑beskyttede DHI‑kromoforene utviklet i denne studien vil bli bredt utvidet til ulike kromoforer. Det gir fremragende TTA‑UC‑egenskaper i tynne filmer fremstilt ved enkle spin‑coating‑ og drypp‑casting‑metoder, og baner vei for brede anvendelser og lover å revolusjonere fotofunksjonell kjemi som involverer eksiterte tripletter.”

Slike nye faststoffmaterialer med god stabilitet kan gjøre kommersielt levedyktige neste generasjons fotoniske materialer ved å konvertere lavintensitets, rikelige fotoner til hydrogen‑genererende, høyintensitets UV‑fotoner.

Investering i avansert solenergi

First Solar

For tiden produseres de fleste av verdens fotovoltaiske paneler i Kina, takket være landets omfattende økosystem for produksjon av polysilisium og fremstilling av solceller.

Imidlertid finnes det annen teknologi enn silisiumbaserte solceller, og en av de få overlevende i solenergiindustrien i Vesten, First Solar, leder innen dette feltet ved å bruke kadmiumtellurid‑solceller. De er både enklere å produsere (tynnfilm‑teknologi) og har høyere effektivitet enn silisiumbaserte celler, selv om råmaterialkostnadene er høyere.

Denne typen celle er også mer holdbar, noe som kan endre ligningen for både huseiere og energiselskaper når de beregner levetidskostnaden for en solcelle og dens avskrivning. Dette er spesielt sant ettersom den raske fremgangen i solcelleavkastning og fallende kostnader har bremset de siste årene.

Kilde: First Solar

Ettersom produksjon av kadmiumtellurid‑celler er en mesteparten automatisert produksjonsprosess, er den relativt mindre følsom for forskjeller i arbeidskostnader. Dette kan gjøre produksjonen i vestlige land mye mer konkurransedyktig, spesielt når de selges lokalt, og det fjerner fraktkostnader fra ligningen.

I stedet for flere fabrikker, med hver aktør spesialisert i ett segment som polysilisium‑rensing, og med mange dager for å produsere en solcelle, kan First Solar gå fra råmaterialer til ferdig produkt på under 4 timer.

Kilde: Department Of Energy

På lang sikt forventer First Solar å kunne fullt resirkulere kadmiumtelluriden fra gamle celler, og 90 % av de totale solcellene. De resterende 5‑10 % av det resirkulerte modulavfallet består hovedsakelig av fine glasspartikler, som fanges opp av støvkontrollsystemer og High‑Efficiency Particulate Air (HEPA) filtreringssystemer.

Dette kan redusere materialkostnader, fjerne den økologiske kostnaden ved ressursutvinning, og eliminere eventuelle forurensningsrisikoer.

“Med hver modul som selges, selger vi også tjenesten der vi henter modulene ved slutten av levetiden og resirkulerer dem. Det var i hovedsak 8 år før regulering kom inn i Europa. Vi har nå direktivet for elektronisk avfall hvor PV er en del av dette.” Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

I tillegg til kadmiumtellurid utforsker First Solar også enda mer avansert solcelleteknologi, som perovskitt‑ og kadmiumtellurid‑perovskitt‑hybrideceller, som kan ha høyere effektivitet og enda større holdbarhet.

På lang sikt kan First Solars erfaring med å produsere tynnfilm‑fotovoltaiske paneler også anvendes på fotokatalytiske celler for hydrogenproduksjon.

Alt i alt er First Solar en flott aksje for investorer som ønsker å investere i solenergi-boomen med fokus på vestlige produsenter, i stedet for de mer geopolitisk sensitive kinesiske produsentene.

(Du kan lese mer om First Solar i vår investeringsrapport dedikert til selskapet og om solenergi i vår rapport “Solalderen – En lys fremtid for menneskeheten”)

Siste nyheter og utviklinger for First Solar (FSLR) aksjen

Studie referert

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