Norske forskere vil lage super-solceller av gull

[magiga]

Tror nanomaterialer med edle metaller er løsningen.

Norske forskere vil lage super-solceller av gull

[aanundo]

"– Solcelleteknologien er viktig for å løse det økende energibehovet på en bærekraftig måte,"

 

Ja, solceller er viktig, men det er produksjonsprisen som bestemmer hvilke energikilder som blir dominerende.

Fornybar energi er det overflod av, og jeg har mer tro på at vinden og bølgene kan gi oss den billigste energien.

Når fiskeoppdrett på havet kan forsvare investeringer på over 500 mil., er det et signal om at "Multi-use" vil skaffe oss både energi og mat når denne teknologien blir tatt i bruk.

[Kikert]

Solceller regnes vel som mindre sjenerende og er lettere å få lov til å sette opp. Mange steder der vindkraft kunne vært kongen men blir nedstemt.

 

Får solceller en høy virkningsgrad, blir robuste nok til å putre og gå i et par fem generasjoner og prisen (inkludert infrastrukturen som trengs) presses litt så er det ikke tvil om at det kan ta seg av en enormt stor del av behovet. Tenk bare på hvor mange tak det finnes rundtomkring.

[Simen1]

– Grunnen til at vi benytter oss av gull er fordi gull har utrolig gode absorbsjonsegenskaper, samtidig som de har veldig lite tap, forteller han.

Dette forstår jeg ikke. Så vidt jeg vet benyttes gull til isolasjon mot stråling i det synlige og IR-spekteret rundt satelitter nettopp fordi det absorberer uhyre lite av lyset (reflekterer det i stedet for). Derfor lurer jeg på lav absorbering kan henge sammen med uttalelsen "gode absorbsjonsegenskaper" når målet er å absorbere mest mulig (og konvertere til elektrisitet)?

[G]

 

– Grunnen til at vi benytter oss av gull er fordi gull har utrolig gode absorbsjonsegenskaper, samtidig som de har veldig lite tap, forteller han.

Dette forstår jeg ikke. Så vidt jeg vet benyttes gull til isolasjon mot stråling i det synlige og IR-spekteret rundt satelitter nettopp fordi det absorberer uhyre lite av lyset (reflekterer det i stedet for). Derfor lurer jeg på lav absorbering kan henge sammen med uttalelsen "gode absorbsjonsegenskaper" når målet er å absorbere mest mulig (og konvertere til elektrisitet)?

 

 

Poenget er vel å få til en fotoelektrisk effekt. Og den skjer vel nesten "okke som" det materiale som benyttes. Selv i gull vil jeg tro?

 

 

 

 

Why do mirrors reflect?   Answer 1:

 

This is a really deep question that requires a fundamental understanding of electrons, atoms, and the wave-like nature of light (or electromagnetic radiation in general). However, let me give you a glimpse into why this happens.

When you say mirror, let's assume we're talking about a silver metal coating, and this is also why other metals are shiny. All atoms have electrons, and these electrons can interact with light. In the case of metals, these electrons are only loosely attached to the metal atoms, so they can move around (which is related to the fact that metals conduct electricity). When light hits the metal, the electrons interact with the light and cause it to reflect. Specifically, light with a given frequency causes the electrons to rattle with that same frequency. In the case of visible and infrared light, which are low frequency, the electrons can match the speed and reflect the light. However, in the case of UV light, the frequency is too high, and the electrons can't rattle fast enough to match the frequency of the light. For this reason, metals are actually transparent to UV radiation!!! So, if you were underneath a piece of metal, it could be totally dark (because no visible light gets through) but still get sun-burnt! Neat!

Kilde: http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=3903

 

 

Metaller har i følge kjemien en elektronsjø. Det vil si svært løse og relativt frie elektroner. Det gjør metaller til gode elektriske ledere.

 

Alt som skal til i den fotoelektriske effekt er jo å få kastet elektronet ut i en høyere energibane, slik at det blir løsrevet fra sitt tilhørende atom. Da får du jo også en elektrisk endring i metallmolekylene. Voila.

 

Og pga. det at gull er et metall som også har en elektronsjø, så vil denne elektriske ladningen kunne overføres lett i nettopp dette materialet etterpå, fordi det er en fantastisk elektrisk leder med lav elektrisk motstand. Se på det som om at gull har en ekstra "stor" elektronsjø som gjør dette metallet til gjengjeld også svært blankt om du lager et speil av det.

Endret 8. oktober 2016 av G

[Simen1]

Jeg får det fortsatt ikke til å stemme. Jeg ressonerer slik: Gull reflekterer lys (og dets energi) ikke absorberer det. Det vil si at energien ikke plukkes opp av gullet og vil dermed heller ikke kunne høstes inn på noe vis.

 

At gull leder strøm gjør det godt egnet til å lede bort ladninger som skapes i solcellen, for eksempel som et grid oppå solcellene, slik vi er vant til fra før, bare med gull i stedet for aluminium/kobber. Men selve materialet som den fotoelektriske effekten skjer i, må så vidt jeg vet være en halvleder, for å unngå at de løsslåtte elektronene og hullene finner tilbake til hverandre igjen. Man vil jo lede strømmen i en ekstern krets, ikke bare lage små eddy currents slik det skjer i metaller, deriblant gull. Vel og merke for den knøttlille delen av lyset som absorberes.

 

Jeg skjønner at ressonementet mitt bare gjelder bulk-materiale og lurer derfor på hvordan nanostrukturene motvirker denne bulk-effekten.

[ChiaroScuro]

Spennende, men jeg synes å huske å ha lest noe om kineserene for flere år siden.

 

Etter å ha lest Simen1 sitt innlegg ser jeg to alternativer. Enten kaster noen bort tid og andres penger, eller så har noen noe på gang som jeg gjerne vil være med på!

Endret 8. oktober 2016 av Thonord

[frodenerd]

 

– Grunnen til at vi benytter oss av gull er fordi gull har utrolig gode absorbsjonsegenskaper, samtidig som de har veldig lite tap, forteller han.

Dette forstår jeg ikke. Så vidt jeg vet benyttes gull til isolasjon mot stråling i det synlige og IR-spekteret rundt satelitter nettopp fordi det absorberer uhyre lite av lyset (reflekterer det i stedet for). Derfor lurer jeg på lav absorbering kan henge sammen med uttalelsen "gode absorbsjonsegenskaper" når målet er å absorbere mest mulig (og konvertere til elektrisitet)?

Gode absorpsjonsegenskaper betyr ikke nødvendigvis at materialet skal absorbere mye lys. Den gode egenskapen er kanskje heller at det absorberer lite lys. Man ønsker elektrisitet, ikke varme. Jeg vet ikke noe om solceller, men velger å tolke det slik at denne fyren har peiling på dette og det har ikke jeg.

[Simen1]

Jeg håper han kommer på banen her og forteller mer om hvordan dette skal fungere.

 

Gull i normal form er i hvert fall ikke noen god solcelle. Over 95% av lyset (og energien) reflekteres. Så potensialet for energiutnyttelse er i størrelseorden under 5%. For normalt gull altså. Det er til og med før vi tar hensyn til hvor mye av energien som blir til elektrisitet. Gull er normalt elendig på det fordi den elektrisiteten som oppstår "kortslutter" veldig raskt. Spesielt for gull som leder strøm så godt. Med andre ord, den lille energien som fanges, blir altså veldig fort til varme i gull. I stedet for elektrisitet. Men som sagt, knøttsmå strukturer godt under lysets bølgelengde, vil kunne ha andre egenskaper enn det samme materialet i større målestokk. Det er her han i artikkelen burde kommet inn og forklart hvordan dette endres og hva som gjør at gull sine normalt elendige egenskaper som solcelle, blir endret til noe brukbart.

[G]

 

 

There are a lot of different ways to look at this.

 

The easiest way to look at it is from the perspective of boundary conditions.

 

The simplest solutions to the electromagnetic wave equation are of the form 

A*f(x-vt) + B*f(x+vt)

Or rather, that they consist of a forward travelling wave (x-vt) and a backward travelling wave (x+vt).

Usually it is simplified even further by assuming it's a plane wave, which puts it in the form

A sin(kx - wt + phase) + B sin (kx + wt + phase)

 

If you apply the boundary condition that at x=0, the wave must equal zero, A must be equal to B and the phase must be equal.  B is the reflected wave.

 

That's just the mathematical cop-out.

 

Alternatively, you need to look at it from a perspective not usually explored in low level undergraduate physics and engineering classes -- the perspective of particle motion.

 

The metal has a whole ton of electrons available to move around at will.  Applying an electric field to them will cause them to accelerate.  Whenever a charge accelerates, it emits an electromagnetic wave.  It turns out that the acceleration of all those free electrons generates a wave of nearly equal magnitude in opposite direction to the incoming wave, plus another wave in the same direction as the incoming wave, but in opposite direction (thus cancelling out the incoming wave after that point).

 

There are other ways to look at it, too, but those are the easiest to explain.

 

Jeg skal innrømme at dere andre nok kan ha betydelig bedre kunnskaper enn meg. Sjekket et sted til, fordi det Simen1 snakket om mhp. kortslutning fikk meg nysgjerrig:

 

Kilde: https://www.quora.com/Do-metals-reflect-light-because-the-electric-field-inside-the-metal-must-be-zero-and-any-electric-field-will-be-pushed-away-and-hence-reflected-And-how-can-metals-have-zero-electric-field-and-how-does-it-reflect-light

 

Han som poster først sier også noe:

 

 

In part, yes it's the zero electric field. The other part of the puzzle is the magnetic field. You can have a  electromagnetic wave in vacuum because a changing electric field causes a magnetic field, and vice versa, and the pattern of mutually regenerating change propagates.

 

So in reflection you have an extra step. The electric field is shorted out by the metal, and current has to flow along the surface of the metal to make that happen. The current generates a magnetic field of the opposite sign, so the wave end up taking off in reverse. It's a bit dense, but see e.g., Page on Mit .

Pluss: https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-007-electromagnetic-energy-from-motors-to-lasers-spring-2011/lecture-notes/MIT6_007S11_lec29.pdf

 

Energi kan jo ikke forsvinne. Så hva blir det til når to bølger kansellerer hverandre ut? Sikkert et dumt spørsmål. Men dumme spørsmål er artige, eller hva?

 

Også lurer jeg på om treghetskreftene også gjelder for atomkjerner? Gull har jo en "tyngre" atomkjerne enn f.eks. helium. Vil det så lett oppstå varme i gull dersom det eksiterte elektronet må flytte på en 77 protoner ekstra, for ikke å glemme alle de eventuellt tilhørende nøytronene som det ihvertfall i gull er mange av? Siden varme er en vibrasjon som en følge av en ristende atomkjerne, evt. som infrarødt lys. Hva skjer dersom ingen av disse evt. skulle skje fullendt, da videre med energien?

 

EDIT: ryddet vekk et dobbelt sitat.

Endret 9. oktober 2016 av G

[G]

@Simen1:

 

Hvordan ser du for deg at denne kortslutningen påvirker det hele? I tilfellet med solceller så er jo poenget å få til forskjell i spenningsnivå mellom en anode og katode som er plassert optimalt.

 

Fant noe som igjen bekrefter en slags kortslutning, men jeg synes fremdeles dette konseptet er noe ullent:

 

http://www.madsci.org/posts/archives/1997-05/863034503.Ph.r.html

 

 

Kan man se på denne kortslutningen som en slags nær superledereffekt?

 

Kanskje du tenker som så at en kortslutning fjerner anoden og katoden? Eller forsterker den dem? En kortslutning i elektrisiteten er jo en voldsom energioverføring over kort tid, altså helt utenom det normale men der har vi jo en voldsom potensialforskjell fra før av. Hva har man i atomet, elektronene?

Endret 9. oktober 2016 av G

[G]

Hva om man lager en sandwich?

 

En tynn (kun få atomer tykk) film av gull eller et annet metall som slipper igjennom mye forskjellig type lys. Finnes det et opakt materiale som har gode fangstmuligheter å legge like under, også en tykkere gullfilm i bunnen av sandwichen (fremdeles relativt tynn da) som blokker lyset og reflekterer det opp i det opake materialet igjen.

 

Gull er jo et av metallene som lar seg bearbeide veldig fint til tynne flak. Altså et svært godt duktilt materiale, som ikke sprekker opp som f.eks. legeringen stål ville ha gjort ved like heftig bearbeiding. Gull er også relativt mykt å bearbeide, noe stål definitivt ikke er. Stål var kun for eksempelets skyld, og man vet det har karbonatomer i seg, som gjør at det mister bearbeidings og noen påkjenningsegenskaper (samtidig som det har andre nyttbare egenskaper (sverdsmiiing f.eks.).

Endret 9. oktober 2016 av G

[Simen1]

Det jeg mener med kortslutning er at når et foton river løs et elektron og et hull i et materiale, altså den fotoelektriske effekten, så vil elektronet og hullet i en dopet halvleder sånn som silisium solceller holdes fra hverandre med en barriere. Denne barrieren er sjiktet mellom P-dopet og N-dopet silisium. Det at elektroner og hull holdes adskilt er essensielt for at man skal kunne samle opp en negativ ladning på den ene siden og en positiv på den andre. Altså positiv og negativ pol. Kobler man til for eksempel en lyspære til polene så vil elektronet strømme fra den negative siden, via lyspæra, til den positive og gjøre et arbeid (Wh) på den veien.

 

Dette forutsetter altså at ladningene kan holdes adskilt. En halvleder er som det ligger i navnet elektrisk leder i noen situasjoner og elektrisk isolator i andre. Barrieren jeg snakker om er en slik isolator. Gull er ikke en halvleder. Det leder bestandig og har altså ingen barriere som kan separere ladningene. Gull absorberer til en viss grad fotoner (~5%) og skaper dermed par med hull og elektroner. Men uten noen barriere så vil disse ladningene raskt finne tilbake hverandre internt i gullet. Altså uten å ta turen via en ekstern krets (lyspære e.l.). Det elektriske arbeidet (Wh) som utføres skjer altså inne i gullet og ender opp som varme.

 

Du kan også se på det som "metalldetektorprinsippet", der fotonet er en EM-puls som delvis trenger ned i overflaten på gullet samtidig som det induserer felt i gullet som skaper en strøm som går i ring rundt stedet, nesten uten motstand siden gull leder godt. Såkalt eddy current. Denne ringstrømmen induserer et motsatt rettet felt som i praksis sender et likt foton i retur. Ikke i vilkårlig retning, men retningsbestemt som følge av vinkelen det første fotonet traff overflaten og dermed i hvilket plan det induserte strømmen. Altså refleksjon. På grunn av kvantemekaniske effekter (fotoelektrisk effekt) så er det ikke sånn at 95% av hvert foton reflekteres tilbake. Det er heller en sannsynlighet der i 95% av tilfellene så reflekteres 100% av fotonet, mens i 5% av tilfellene så absorberes hele fotonet. Sånn omtrentlig fra en litt rusten hukommelse har gull i gjennomsnitt ca 95% refleksjonsevne i det synlige spekteret og noe høyere i IR-spekteret, mens en bestemt "dipp" i denne prosentandelen i den gule delen av spekteret får gull til å fremstå med gul farge.

 

Slik fungerer det i hvert fall for gull i "bulk" (typisk tykkere gullsjikt enn bølgelengden på lyset). Det store spørsmålet om hvordan og hvorfor gullet skal oppføre seg annerledes når det organiseres i nanostrukturer står fortsatt ubesvart.

Endret 9. oktober 2016 av Simen1

[G]

@Simen1:

 

Er fremdeles utfordrende å forstå atomfysikk. Jeg er ikke særlig høyt utdannet mhp. det. Her er en kilde til:

 

http://physics.stackexchange.com/questions/208916/how-can-metals-absorb-light

 

 

Jeg lurer litt på sandwichen min. Dersom man benytter f.eks. kobber i det øverste tynne laget, og gull i det nederste som er tykkere enn de ønskede bølgelengdene. Vil ikke da lagene få forskjellig potensiale i forhold til hverandre, og avhengig av tykkelsen på laget i mellom disse to ren-metallene så har du en anode og katode. Hvor gull er den beste lederen og kobber den nest beste. Du får litt høyere motstand i kobberet. Jeg tenker jo som en amatør, for jeg har jo ikke greie på om det blir noe særlig potensiale å snakke om.

 

EDIT: Retted på det uthevede ordet, til et bedre.

Endret 9. oktober 2016 av G

[Simen1]

Nå er vel sølv det rene metallet som leder best, fulgt av kobber på andreplass og gull på tredje så vidt jeg husker. (Mulig det er noen uvanlige edelmetaller i mellom der).

 

Med forbehold om litt rusten hukommelse på atomfysikk så har du helt rett i at det vil skapes en potensialforskjell, men denne er svært midlertidig i tilfellet foton (svært kortvarig hendelse) som treffer sandwitchen av gull og kobber. Forutsatt at sjiktene er tynne nok til at fotoner trenger delvis igjennom det første laget. Problemet er at når man har et hull-elektron-par i et ledende materiale (eller sandwich av flere ledende materialer) så tar elektronet minste motstands vei for å finne tilbake til hullet. Altså ikke den lange omveien om en ekstern krets. Det kan bare skje i materialer der elektroner og hull forhindres fra å "date" med en barriere, altså halvledere med et grensesjikt mellom N-dopet og P-dopet side.

 

Det er riktignok flere materialer enn silisium som er halvleder. Blant annet germanium (som også ligger i gruppe 4 i den den lille periodetabellen, men også hybride materialer som gallium-arsen (som ligger henholdsvis i gruppe 3 og 5). Men jeg har aldri hørt om at gull kan inngå i slike hybride halvledermaterialer. Jeg tipper også det dreier seg om et hybrid materiale bestående sandwich-struktur der gull inngår, men vil gjerne høre mer.

[G]

@Simen1:

 

Er flere huller i mine fysikkunnskaper enn det er elektronhull i et atom å fylle.

 

Du nevner noe om:

 

 

Problemet er at når man har et hull-elektron-par i et ledende materiale (eller sandwich av flere ledende materialer) så tar elektronet minste motstands vei for å finne tilbake til hullet. Altså ikke den lange omveien om en ekstern krets. Det kan bare skje i materialer der elektroner og hull forhindres fra å "date" med en barriere, altså halvledere med et grensesjikt mellom N-dopet og P-dopet side.

 

Ok, men hva i de tilfeller der elektronet blir eksitert, altså fullstendig frigjort, og så kommer det et lite elektron ned via solvinden inn i atmosfæren vår som erstatter. Vi er jo bombardert med elektroner til en en hver tid. Poenget mitt er når et slikt elektron tar opp hullet før det eksiterte elektronet (eller dets "balansebrødre i elektronsjøen) har anledning til å gjøre det samme. Da vil det vel som en følge potensiellt kunne gå en strøm med det frie elektronet? Atomet har blitt nøytralt igjen (etter den kortvarige perioden som et ion), men det er et elektron nå på vandring en eller annen plass. Da er det vel en løselig del av elektronsjøen eller, med negativt ladet "bulk-metall"?

 

Vil en slik "solvinderstatning" i det hele tatt kunne skje raskt nok til å overvinne elektronsjøer i metaller, eller skjer dette mer i andre materialer enn metallene?

 

Vil den kortvarige perioden i eksitert tilstand, der atomet er et ion kunne regnes inn i en prosentvis andel av en elektriks krets, eller er det ubetydelig?

Endret 9. oktober 2016 av G

[Simen1]

Jeg gjør allerede samme antagelse. Når et elektron slås løs så mener jeg helt frigjort. Det er derfor det kan flyte for eksempel gjennom en ekstern krets.

 

Solvinden når ikke ned til bakken så det kan du ta helt med ro. Fotoner er lyset fra sola og når som kjent ned til bakken, elektroner fra solvinden når ikke ned til bakken. Det kræsjer med atmosfæren i ca 100-400 km høyde og absorberes på et vis der oppe. Solceller fanger ikke elektroner, de fanger fotoner. Fotonets energi får et ellers stabil atom til å miste et av sine elektroner. Atomet ioniseres (+) og kalles gjerne for et hull. Det frigjorte elektronet føres gjennom en ekstern krets og inn til solcella via den andre polen og tilbake til det ioniserte atomet, der det finner sin plass igjen. Ikke nødvendigvis samme elektron, men det finner fyller i hvert fall "huller" (+) og opphever ioniseringa. Husk at det løsslåtte elektronet i en halvleder ikke kan ta korteste vei tilbake til hullet. Barrieren blokkerer den muligheten. Derfor er minste motstands vei via den eksterne kretsen.

[N3MDS1BZ]

Det kan se ut som det er kommet litt feil ut i artikkelen her - nøkkelordet som er mangler er "selvsagt "nano". Som Simen peker på vil kontinuerlige filmer av Gull reflektere nesten 100% av lyset som faller på den, nettopp på grunnen av sine metalliske egenskaper som også blir omtalt. Det vi forsker på er metall-nanostrukturer (for eksempel nanopartikler eller nanostaver), som har en størrelse typisk mye mindre enn bølgelengden til det innkommende lyset. Nanopartikler av metall (også gull) vil faktisk absorbere en god del av det innkommende lyset, og videre utvise helt spesielle optiske egenskaper som vi benytter oss av. At vi bruker gull-nanostrukturer er flere, men ett enkelt argument er at gull er ett veldig velstudert metall i form av nanostrukturer i alle mulige konfigurasjoner, samt at det som gir oss veldig entydige optiske egenskaper for studiene. Husk! Det er snakk om ørsmå mengder metall på ett slikt forskningsstadie. Det kan også presiseres av vi faktisk IKKE studerer en konvensjonell halvleder basert solcelle konfigurasjon. Konseptet baserer seg på utnytte såkalte "varme elektroner" generert i de metalliske nanostrukturene. Disse blir ikke generert av den fotoelektriske effekten som vi kjenner den, men kan tenkes på som energetiske elektroner generert av fotoner med energier mindre enn det som må til for å oppnå fotoelektrisk effekt i metallet. Hvis vi kan, ved hjelp av nanostrukturerte metaller i en vel-uttenkt anordning (device), samle/detektere varme elektroner vil vi kunne ha en mye større del av det optiske spekteret tilgjengelig for utnyttelse i form av for eksempel en solcelle. Dette vil i tillegg åpne muligheten til å oppnå en høyere virkningsgrad enn det som er mulig for konvensjonelle solceller, da en slik anordning ikke vil inneha de samme fundamentale begrensningene. Utfordringen er (såklart) å klare å fange/utnytte disse varme elektronene!

 

Håper dette kan være oppklarende, og takk for interessen!

 

vennlig hilsen

Martin M. Greve

[GU6YMXDM]

Vi holder på å installere hybrid nano solceller. Det er flere leverandører i dag. På området.

Nytt i Norge, men ikke internasjonalt.

 

Nanoceller er produsert i Sør Korea, den typen vi vil prøve. 30 års garanti.

[Knut Bråtane]

Dagens standard solpaneler har en virkningsgrad på ca 17% (ifølge en ingeniør fra REC) Med det kan man få en energiproduksjon på ca 20 W/m^2 (middel over døgnet/året).

Det betyr at solpaneler som dekker ca 1% av Saharas areal vil produsere like mye strøm (energi) som alt verden produserer idag (Kull, Olje, Gass, Atom, Vann, Vind etc.).

 

Høyere virkningsgrad er selvfølgelig fint, men ikke avgjørende.

 

Våre etterkommere kommer derfor ikke til å mangle energi. Den blir sikkert dyrere enn nedbetalt vannkraft, men ikke dyrere enn ny vannkraft, vindturbiner, renset kullkraft etc.

 

Vindturbiner kan oppnå omtrent samme energitetthet (20W/m^2) ifølge NVE,

og uten at jeg har fått det klart verifisert kan bioetanol i tropene oppnå nesten det samme, men da i form av varme.

 

Jeg fant en utmerket artikkel om utviklingen av solenergi her: http://cleantechnica.com/2016/08/17/10-solar-energy-facts-charts-everyone-know/