Fotonupkonvertering kan öka potentialen för solväte

När det gäller att omvandla solljus till användbar energi har mycket fokus lagts på fotovoltaik, eftersom detta är en metod som kan omvandla en stor del av solens energiproduktion till elektricitet.

Det betyder dock inte att detta är det mest effektiva alternativet för alla tillämpningar. Till exempel, om målet är att producera grönt väte, skapar detta en flerstegsprocess där effektiviteten förloras i varje steg: solljus → el → överföring → elektrolys → väte.

Det är därför olika tillvägagångssätt har undersökts, särskilt att använda solljus direkt för att omvandla vatten till väte, en process som kallas fotokatalys.

Problemet är att även med rätt katalysatorer ligger största delen av solljuset i det synliga och infraröda området, vilket helt enkelt inte är tillräckligt energirikt för att dela vattenmolekyler till väte. Så även med kiselkarbid som ökar fotokatalysens effektivitet är det fortfarande inte optimalt. Till stor del är endast den ultravioletta (UV) delen av ljusspektrumet tillräckligt stark.

Det är därför upptäckten av japanska forskare vid Kyushu University och Institute for Molecular Science, SOKENDAI, att en ny fastfasmetod kan användas för att öka fotonernas energinivåer kan bli en spelväxlare för framtida produktion av grönt väte. De publicerade sina resultat i den prestigefyllda tidskriften Nature Communications¹, med titeln “Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion”.

Från synligt till UV-ljus

Fotokatalys av vatten till väte kan radikalt öka produktionen av grön energi. Detta beror på att grönt väte är en nyckelkomponent som saknas för att lagra energi under veckor och månader med lite solljus eller ingen vind, och även den perfekta bränslen för att avkarbonisera sektorer som sjöfart och flyg, antingen direkt eller genom produktion av ammoniak och artificiellt bränsle. Men tyvärr är endast UV starkt nog för att utföra fotokatalys.

“Även om oorganiska fotokatalysatorer som använder ultraviolett (UV) ljus har uppnått hög effektivitet vid fotokatalytisk vattensplittring, lider de av den låga UV-andelen i solljus (ungefär 3 % för intervallet 300–400 nm).”

Men alternativet kan vara att inte en bättre katalysator, utan att omvandla det mycket mer abundanta synliga ljuset till UV, eller ”fotonupkonvertering”.

Forskarna fokuserade på en process som kallas triplet–triplet annihilation-baserad fotonupkonvertering-baserad fotonupkonvertering (TTA-UC). I sin enklaste förklaring förenar detta två lågenergifotoner till en enda högenergifoton genom att de absorberas av en acceptormolekyl innan de återutsänds.

Källa: Nature

Optimera stabiliteten för fotonupkonvertering

Från vätska till kristaller

Hittills har metoder för upkonvertering med molekyler som 1,4-bis((triisopropylsilyl)ethynyl)naphthalene (TIPS-Nph) och 2,5-diphenyloxazole (PPO) goda kvantutfällningar (ΦUC), men lösningsmedlens volatilitet utgör en kritisk begränsning för enhetsapplikationer och långsiktig användning.

En praktisk lösning är istället att behöva stabila material som kan distribueras i stor skala, med minimal eller ingen underhåll, så att hela fält av fotokatalytiska omvandlare kan sättas i drift för massproduktion av grönt väte.

I kristaller och fasta acceptorer kan ett fenomen som kallas singlet‑quenching minska kvantutfällningen.

Forskarna har använt alkylkedjesubstitution (tillsättning av längre kolkedjor) i de organiska molekyler som används som acceptorer för att öka både stabiliteten och minska förekomsten av singlet‑quenching.

Källa: Nature

Mätning av kristallprestanda

Forskarna använde en molekyl kallad DHI (5,10-dihydroindeno[2,1-a]indene) med en nästan perfekt kvantutfällning på 96 % i vätskeform (lösning). Men den minskar normalt kraftigt i avkastning när den är i kristallform.

När de extra kolkedjorna tillsätts till molekylen kan kristallformen av DHI nå kvantutfällningar så höga som 64 %–69 %. Dessa höga resultat indikerar att donormolekylerna är jämnt fördelade inom acceptorkristallen, vilket möjliggör effektiv triplet‑sensitisering.

Källa: Nature

Materialet kan också produceras med enkla filmformningstekniker, såsom gjutning vid rumstemperatur och spin‑coating, utan att kräva någon speciell värmebehandling, vilket gör det mer sannolikt att vara relevant för framtida industriella storskaliga tillämpningar.

Processen är också syretolerant och kräver till och med syre, vilket innebär att den inte behöver ske i en sluten, syrefri miljö, ett annat viktigt element för kommersiella tillämpningar.

“TTA-UC aktiveras när syret i systemet förbrukas genom omvandling till singlet‑syre. iBu‑DHI/Ir(ppy)3‑filmen visade upkonvertering i luft även under intensiv bestrålning (λdt = 370 nm, Iex = 2,0 W cm⁻²) i mer än 1 h.”

Källa: Nature

Kristallernas prestanda beror i allmänhet på den mikroskopiska strukturen på atomnivå. Så forskarna utförde först teoretiska beräkningar för att bestämma den sannolika strukturen för dessa kristaller.

De testade sedan kristallen med röntgenkristallografi och fann att röntgendiffraktionsmönstren för enkristallerna och för spin‑coated‑filmerna var liknande, vilket visar varför metoden fungerade.

Källa: Nature

Det betyder inte att kristallerna inte kan optimeras ytterligare, med ännu högre avkastning teoretiskt möjlig genom en mer exakt metod för att kontrollera skapandet av de enskilda kristallerna och deras organisering i ett tunt lager.

“Prestandan för det nuvarande fastfas‑Vis‑till‑UV‑TTA‑UC‑systemet kan förbättras ytterligare genom att optimera donormolekylstrukturen och använda en kontrollerad kristalliseringprocess.”

Framtida tillämpningar

För närvarande domineras vätgasproduktionen av ”grått väte” som produceras från fossila bränslen, och en liten men växande del tillverkas från förnybar energi, eller ”grönt väte”, som fortfarande har svårt att vara ekonomiskt konkurrenskraftigt jämfört med andra bränslen.

I slutändan kan direkt utnyttjande av solljus för att producera väte, utan omfattande kraftöverföring, batterier, kablar och elektrokatalysatorer, kraftigt minska den totala kostnaden för en sådan installation. Avsaknaden av mellansteg förbättrar också den totala energieffektiviteten för produktion av grönt väte, ett allvarligt problem med metoder som använder elektrokatalys.

“Designprincipen för de π‑skyddade DHI‑kromoforerna som utvecklats i denna studie kommer att brett tillämpas på olika kromoforer. Den möjliggör utmärkta TTA‑UC‑egenskaper i tunna filmer framställda med enkla spin‑coating‑ och dropp‑casting‑metoder, vilket banar väg för breda tillämpningar och lovar att revolutionera fotofunktionell kemi som involverar exciterade tripletter.”

Sådana nya fastfasmaterial med god stabilitet kan göra kommersiellt livskraftiga nästa generations fotoniska material genom att omvandla lågt intensiva, abundanta fotoner till väteproducerande, högintensiva UV‑fotoner.

Investera i avancerad solenergi

First Solar

För närvarande produceras de flesta av världens fotovoltaikpaneler i Kina, tack vare landets omfattande ekosystem för produktion av polysilikon och tillverkning av solceller.

Det finns dock annan teknik än kiselbaserade solceller, och en av de få överlevande aktörerna i solenergiindustrin i väst, First Solar, leder inom detta område med användning av kadmiumtellurid‑solceller. De är både enklare att producera (tunnfilmsteknik) och har högre verkningsgrad än kiselbaserade celler, om än med högre kostnader för råmaterialet.

Denna typ av cell är också mer hållbar, vilket kan förändra ekvationen för både husägare och energibolag när de beräknar livstidkostnaden för en solcell och dess avskrivning. Detta är särskilt sant eftersom den snabba utvecklingen i solcellers avkastning och minskande kostnader har avtagit under de senaste åren.

Källa: First Solar

Eftersom produktionen av kadmiumtelluridceller är en mestadels automatiserad tillverkningsprocess är den relativt mindre känslig för skillnader i arbetskostnader. Detta kan göra dess produktion i västländer mycket mer konkurrenskraftig, särskilt när de säljs lokalt, och det eliminerar fraktkostnader från ekvationen.

Istället för flera fabriker, där varje aktör är specialiserad på ett segment som polysilikonrening, och med många dagar för att producera en solcell, kan First Solar gå från råmaterial till färdig produkt på mindre än 4 timmar.

Källa: Department Of Energy

På lång sikt förväntar sig First Solar att kunna återvinna kadmiumtelluriden från gamla celler helt, och 90 % av de totala solcellerna. De återstående 5‑10 % av återvunnet modulavfall består främst av fina glaspartiklar, som fångas upp av dammkontrollsystem och High‑Efficiency Particulate Air (HEPA)‑filtreringssystem.

Detta kan minska materialkostnaderna, eliminera den ekologiska kostnaden för resursutvinning och avlägsna eventuella föroreningsrisker.

“Med varje såld modul sålde vi också tjänsten att vi hämtar modulerna vid livets slut och återvinner dem. Det var i princip 8 år innan regleringen infördes i Europa. Vi har nu direktivet för elektroniskt avfall där PV är en del av det.” Andreas Wade – Global Sustainability Director at First Solar Future Techs

Förutom kadmiumtellurid utforskar First Solar även ännu mer avancerad solcellsteknik, såsom perovskit‑ och kadmiumtellurid‑perovskit‑hybridceller, som kan ha högre verkningsgrad och ännu större hållbarhet.

På lång sikt kan First Solars erfarenhet av att producera tunnfilm-fotovoltaikpaneler även tillämpas på fotokatalysatorceller för vätgasproduktion.

Sammanfattningsvis är First Solar en utmärkt aktie för investerare som vill investera i solenergi-boomen med fokus på västerländska producenter, snarare än de mer geopolitisk känsliga kinesiska producenterna.

(Du kan läsa mer om First Solar i vår investeringsrapport som är dedikerad till företaget och om solenergi i vår rapport “The Solar Age – A Bright Future To Mankind”)

Senaste nyheter och utveckling för First Solar (FSLR)-aktien

Studie refererad

^{1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. et al. Steriskt skyddade π-elektronsystem för effektiv fastfasfotonupkonvertering. Nature Communications. 17, 5134 (2026). https://www.securities.io/the-solar-age-a-bright-future-to-mankind/}  på svenska.