Artikkel

Solcelle-forskning førte til patentsøknad om noe helt annet

Postdoktor Per-Anders Hansen ved Kjemisk institutt jobber med luminescerende materialer – som sender ut synlig lys når de blir utsatt for UV-belysning. Foto: Ingvild Wiik, UiO. Bruk bildet.

Solcelle-forskning førte til patentsøknad om noe helt annet

Etter å ha strevd mye med å utvikle et materiale som kan gi bedre solceller, foreslår kjemiker Per-Anders Hansen at det utgis en "Journal of failed results". Men strevet førte fram til slutt – og har i tillegg ført til en patentsøknad om en helt ny måte å måle overflatetemperaturer på.

Postdoktoren Per-Anders Hansen og kolleger ved Kjemisk institutt jobbet egentlig med å utvikle en film som skulle kunne øke effekten av silisiumbaserte solceller. De hadde et materiale som i teorien skulle gjøre en supersmart jobb med å omdanne fotoner med høy og "ubrukelig" energi til dobbelt så mange fotoner med lavere og mer anvendelig energi, og de strevde i halvannet år med å få materialet til å virke (de gjorde mye annet samtidig). Men materialet ville ikke.

JetmotorIndre
De nye, luminescerende materialene kan for eksempel legges på bladene i en jetmotor eller en gassturbin og brukes til å gi mer presise temperaturmålinger enn det som er mulig i dag. Foto: Colourbox

– Gjennombruddet kom da jeg reiste noen dager til Universitetet i Utrecht i oktober 2015, for å forberede mitt forskeropphold der fra januar 2016. Jeg presenterte problemet under et møte, og der visste alle – fra masterstudenter til professorer – straks hva som var i veien! Det var temmelig frustrerende, forteller Hansen.

Løste problemet på to uker

Men frustrasjonen gikk fort over. Da Hansen fikk greie på hvorfor materialet ikke virket som det skulle, forsto han også hvordan problemet kunne løses ved hjelp av tynnfilmreaktorene ved Kjemisk institutt.

Det som gjensto, var noen uker med hardt arbeid.

– Jeg reiste tilbake til Oslo for å teste en ny idé, og et par uker etterpå var problemet løst, forteller han.

– I tillegg var vi plutselig blitt i stand til å lage en helt ny type nanomaterialer som ingen andre har tenkt på før, og nå har vi altså levert en patentsøknad.

Det er flere viktige poenger i denne historien, men la oss først si litt mer om patentsøknaden. Hansen vil helst ikke si for mye om hva det nye materialet består av, før patentet er innvilget.

Temperaturmåling i turbiner

– Men jeg kan fortelle at det handler om at vi har klart å få to klasser med atomer som ikke liker å samarbeide, til å samarbeide i et materiale som gir luminescens. Et mål med patentsøknaden er at vi kan bruke disse nye materialene i en metode for måling av overflatetemperaturer i for eksempel jetmotorer, gassturbiner eller andre prosesser med svært høye temperaturer. Vi kan nemlig måle temperaturen på en overflate optisk, uten å berøre den.

Per-Anders Hansen ser for seg at de nye, luminescerende materialene kan legges på bladene i en gassturbin, og så blir materialet belyst med en UV-laser. Dette fører til at materialet sender tilbake et karakteristisk lys, med flere bølgelengder som forteller nøyaktig om temperaturen på den aktuelle overflaten.

Dette gir mer presise temperaturmålinger enn for eksempel de infrarøde metodene som brukes i dag, for IR-kameraer blir alltid påvirket og forstyrret av temperaturen i forbrenningskammeret rundt turbinbladene.

– Vi mener at vår teknologi kan finne anvendelse blant annet i turbiner hvor det er viktig å kjenne temperaturen på turbinbladene så godt som mulig, fordi overoppheting kan føre til økt slitasje. Noen av disse turbinbladene har for eksempel indre kjøling, og da kan vår teknologi brukes til å undersøke om det finnes punkter hvor kjølingen ikke funker bra nok, forklarer Hansen.

Det finnes pulvere som brukes til dette formålet i dag, men de har en lei tendens til å løsne under temperaturvariasjoner, mekanisk stress og vibrasjoner.

– Vi kan også kombinere flere materialer som til sammen kan dekke et mye bredere temperaturintervall og/eller gi høyere nøyaktighet. Dermed har vi en filmpakke som vi kan legge på hva som helst av komponenter uten videre utvikling, og som har standardiserte og mye bredere egenskaper enn ett enkelt materiale vil ha, mener Hansen.

Betydelig kommersielt potensial

Universitetet i Oslo utlyste tidlig i 2017 en konkurranse om innovasjonsmidler, og Hansens prosjekt ble vurdert som så interessant at det ble støttet med 725 000 kroner.

– Etter vår vurdering er det gode muligheter for å oppnå verdifull patentbeskyttelse basert på denne oppfinnelsen, sier IPR Manager Eivind Roverud i Inven2, som er UiOs innovasjonsselskap.

– Dette er en type oppfinnelse som ofte er svært verdifull: inkrementelt forbedrede egenskaper innenfor allerede etablerte bruksområder. Vi ser for oss et betydelig kommersielt potensial innenfor optisk temperaturmåling, tilføyer Inven2s Technology Strategy Manager, Håvard Saksvikrønning.

– I dette prosjektet har forskerne satt seg inn i problemstillingene rundt en spesifikk applikasjon og brukt fagkunnskapen sin til å komme opp med en kostnadseffektiv løsning. Dette er en arbeidsmåte som lover godt for prosjektets kommersielle resultater, påpeker han.

Vil du ha flere forskningsnyheter om realfag og teknologi? Abonner på vårt ukentlige nyhetsbrev(link is external) eller følg oss på Facebook.

Det viktige utenlandsoppholdet

solceller energi
Ca. én tredjedel av fotonene i vanlig lys har for lite energi til å kunne utnyttes i solceller, ca. én tredjedel av fotonene er så energirike at mye går til spille, og én tredjedel kan omdannes til energi i solcellene.  Derfor er det lurt å konvertere de høyenergetiske fotonene til dobbelt så mange fotoner med lavere energi som solcellene kan utnytte. Foto: Colourbox.

– Jeg synes det er veldig spennende å være med på en patentsøknad, men jeg vil gjerne tilføye at det faglige gjennombruddet i dette prosjektet i stor grad skyldes at UiO og MN-fakultetet satser systematisk på internasjonal mobilitet og tverrfaglighet, sier Hansen.

Forskeroppholdet ved universitetet i Utrecht ble utløst av at Hansen var med på en workshop arrangert av UiOs EU-kontor i samarbeid med Yellow Research. Dette er et konsulentselskap som yter søknadsstøtte og -veiledning for forskere som er interessert i EU-prosjekter.

Seminaret handlet om å gi råd til unge forskere som ønsker å sende søknader til EU-systemet, og Per-Anders Hansen sendte sin CV til Yellow Research for å få en vurdering.

– Da fikk jeg beskjed om at CV-en så «grei» ut, men jeg hadde både bachelor, master og Phd fra UiO. De sa omtrent rett ut at Det europeiske forskningsrådet (ERC) knapt nok gidder å lese søknader fra forskere med en sånn CV, for i EU-sammenheng legges det veldig stor vekt på mobilitet og internasjonalisering.

Per-Anders Hansen tok signalet og begynte å se seg om etter internasjonale samarbeidspartnere.

– Vi er veldig flinke til å lage tøffe nanostrukturer i reaktorene våre på Kjemisk institutt, men universitetet i Utrecht er blant de beste på luminescens. Jeg tok derfor kontakt med professor Andries Meijerink, en av verdens ledende eksperter på luminescens fra lantanoider, som vi jobber mye med, og fikk positivt svar, forteller han.

– Dermed reiste jeg til Nederland og ble der et helt år, med finansiering fra MN-fakultetets mobilitetspenger og UiO:Energi, som er en av universitetets tverrfaglige satsinger. Og det oppholdet ble altså veldig nyttig, til og med før jeg egentlig kom i gang i Utrecht.

«The journal of failed results»

Hansen har i ettertid tenkt på hvorfor forskerne ved UiO strevde med å forstå hva som var feil med materialet de forsøkte å utvikle, mens selv masterstudentene i Utrecht visste svaret på strak arm. Problemet var nemlig omtalt i den vitenskapelige litteraturen, men det hadde ikke forskerne i Oslo oppdaget.

– Den vitenskapelige artikkelen hvor problemet var beskrevet, var publisert på en temmelig bortgjemt måte, sier han.

– Det er i det hele tatt vanskelig å få publisert artikler om noe som ikke virker, for da må du samtidig vise hvorfor det ikke virker – og de vitenskapelige tidsskriftene vil helst ha artikler om gjennombrudd. Og til nå har ingen hatt noe stort gjennombrudd på dette problemet.

– Det fører til at den samme feilen kan bli gjentatt av flere forskergrupper etter hverandre, fordi de negative funnene ikke blir publisert – og dermed går mye tid til spille. Det hadde egentlig vært fint hvis et forlag kunne begynne å utgi «The Journal of failed results». Det hadde blitt en populær journal! bemerker Hansen.

Det begynte med solcellene

SplittingFotoner
Prinsippskisse av hvordan splitting av UV-fotoner kan skje. Atom A absorberer et UV-foton og eksiteres til en høyere energitilstand. Dette atomet overfører så denne energien til to atomer av type B samtidig, og med det splittes energien i to. Begge B-atomene vil så sende ut ett foton hver med lavere energi. Illustrasjon: Per-Anders Hansen/UiO og Wikipedia

Når det gjelder solcellene alt sammen begynte med, har Per-Anders Hansen og forskerne ved MN-fakultetets Senter for materialvitenskap og nanoteknologi kommet så langt at de har utviklet et sulfidbasert pulver som «splitter» energirike fotoner og omdanner dem til to fotoner med lavere energi.

Hansen tok utgangspunkt i en oksidfilm som allerede var utviklet ved instituttet og som kunne gjøre dette trikset, men det nye sulfidpulveret er vesentlig mer effektivt.

Utgangspunktet er at ca. én tredjedel av fotonene i vanlig lys har for lite energi til å kunne utnyttes i solcellene, og en annen tredjedel av fotonene – de som har bølgelengder mellom 250 og 550 nanometer og hører hjemme i den ultrafiolette og blå delen av spekteret – er så energirike at mye går til spille. Derfor er det lurt å konvertere disse høyenergetiske fotonene til fotoner med lavere energi, for da kan solcellene utnytte mer av energien i dem.

– Fotoner kan jo ikke splittes, men du husker kanskje fra kjemitimene på skolen at de kan ha ulik energi og bølgelengde. Det vi har oppnådd, er å utvikle et materiale som absorberer energirike UV-fotoner og sender ut igjen dobbelt så mange fotoner med lavere energi. Dermed kan vi øke de silisiumbaserte solcellenes teoretiske maksimale effektivitet fra ca. 30 til ca. 33-34 prosent av energien som finnes i sollyset, og det vil være et stort framskritt, mener Hansen.

LES OGSÅ: Neste gang du maler huset, er det kanskje med solcellemaling: Solceller kommer til å være overalt

Gjenstår å lage selve folien

Hansen har nå utviklet et materiale som foreligger i pulverform og som konverterer ultrafiolette fotoner til «røde» fotoner med en bølgelengde mellom 650 og ca. 1000 nanometer. Til nå har slike materialer for solcellebruk enten absorbert UV bra eller luminescert bra, men ikke begge deler samtidig.

– Det jeg har fått til, er å utnytte en effekt som egentlig er kjent, men som veldig få har tenkt på, til å indusere kraftig absorpsjon i et godt luminescerende materiale. Jeg satt da med et materiale som både absorberte den riktige sol-UV’en kraftig og samtidig luminescerte kraftig. Men da jeg kom så langt, var det blitt lille julaften 2016, og jeg måtte reise hjem til Norge.

Det som gjenstår, er å omdanne dette pulveret til en film eller en folie som kan legges utenpå glasset som brukes til å dekke solcellene når de monteres sammen i paneler, forklarer Hansen.

– Jeg håper at vi skal klare å komme dit i løpet av et par år. Det store salgsargumentet vårt er at siden denne folien skal kunne brukes i paneler, uten å endre noe på produksjonen av selve solcella, så er det veldig lett å inkludere denne teknologien i eksisterende produksjonsprosesser.

– Men det har neppe noe for seg å oppgradere allerede installerte solcellepaneler, for dette markedet vokser nå så fort at ca. 90 prosent av alle solcellepaneler i verden til enhver tid er installert i løpet av de siste sju årene, avslutter Hansen.

Utviklingen av det luminescerende pulveret har foregått i samarbeid mellom Kjemisk instituttt og Solar United, et av forskningssentrene for miljøvennlig energi (FME) som var finansiert av Norges forskningsråd fra 2009 til 2017. Nå samarbeider Hansen med Solar Uniteds etterfølger, Research Centre for Sustainable Solar Cell Technology, som ledes av Institutt for energiteknikk (IFE).

Kontakt:

Per-Anders Hansen, postdoktor ved Kjemisk institutt

Les mer på Titan.uio.no:

Vitenskapelige artikler:

Getz, M., et al.: Luminescent YbVO4 by atomic layer deposition. Dalton Transactions, 2017. 46(9): p. 3008-3013.

Hansen, P.-A., et al.: Luminescent Properties of Multilayered Eu2O3 and TiO2 Grown by Atomic Layer Deposition. Chemical Vapor Deposition, 2014.

Hansen, P.-A., et al.: Luminescence properties of lanthanide and ytterbium lanthanide titanate thin films grown by atomic layer deposition. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 2016. 34(1): p. 01A130.

Mer informasjon:

Solkremstoff i folie dobler effekten fra solceller. Apollon, 1. februar 2012

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også