Villy Sundström Framtidens energi kommer från solen Foto: Julian Baum/Science Photo Library IBL. Solen är den enda, på en mänsklig tidskala, outtömliga energikällan. Därför är det viktigt att hitta nya metoder som omvandlar solenergi till energiformer som vi enkelt och miljövänligt kan utnyttja. En solcell tillverkad helt igenom av plast skulle ha många attraktiva egenskaper en solcell tunn och flexibel som en hushållsplastfolie skulle vara en säker hit. Tänk dig tonade fönster där den del av ljuset som man filtrerar bort används för att driva datorn som du jobbar på, eller där lacken på din bil bidrar till dess framdrivning. Tänk dig alla tak och hus- fasader som skulle kunna beläggas och bidra till vårt el- och bränslebehov. Solenergi kan omvandlas på i princip två sätt. Det ena är att, som växterna gör, omvandla den till någon form av bränsle, till exempel vätgas eller någon annan energirik substans. Forskning pågår på olika håll i världen för att åstadkomma detta. Det Framtidens energi kommer från solen 7
Illustration: Tonu Pullerits. Illustration: Tonu Pullerits. andra alternativet är att med hjälp av solceller omvandla solenergin till elektrisk ström. Den första metoden har fördelen att ge lagringsbar energi, den andra är direkt, innehåller få reaktionssteg och har därför potential att ge hög omvandlingsgrad. I dag finns kommersiellt tillgängliga solceller baserade på kiselteknologi. Nackdelen är att de är dyrbara och kräver komplicerad och energislukande teknik för framställningen, eftersom kisel av hög renhetsgrad används. Detta ger ett högt pris på elström som produceras med solceller, och det belastar dessutom miljön. Mycket att lära av naturen! Under hundratals miljoner år har naturen utvecklat en sinnrik och effektiv process för omvandling av ljusenergi till kemisk energi fotosyntesen. När vi utformar en konstgjord motsvarighet till fotosyntesen är det förmodligen en god strategi att utnyttja naturens erfarenheter. Fotosyntesen kan beskrivas i tre processteg: insamling av ljusenergi, säkring till energirika laddningar och slutligen omvandling till bränsle. För att utveckla artificiella system för elproduktion (sol- Bild 1a. Antenn och reaktionscentrum i en fotosyntetisk bakterie. Cirklarna är antennen som samlar in och levererar ljusenergin till reaktionscentrum i mitten av den större antennen, där den omvandlas till energirika elektroner. Ljusenergi upptagen av en klorofyllmolekyl i antennen skickas vidare till en grannmolekyl, och på så sätt hoppar den pikosekundsnabbt mellan klorofyllmolekylerna tills den når reaktionscentrum. Eftersom pigment med lägst energi befinner sig närmast reaktionscentrum flödar energin likt vatten nedströms i en älv. Efter cirka 100 pikosekunder är energin i säkert förvar i reaktionscentrum, omvandlad till elektroner. I figurens övre vänstra hörn visas en sidovy av pigmentsystemet med proteinet bortskalat. Växter, alger och bakterier har olika utformade pigmentsystem, men funktionen är likartad. Bild 1b. Pigmentmolekylerna i en antenncirkel i större förstoring. De röda och gröna molekylerna är kloro-fyll (jämför 1a), de långsmala gula är karotenoidmolekyler (inte återgivna i 1a) samma slags molekyler som ger tomater och morötter dess färg. Karotenoidernas viktigaste funktion är att skydda pigmentsystemet mot för mycket ljus och mot reaktiva ämnens skadeverkningar. 8 Framtidens energi kommer från solen
Faktaruta Hur lång är en femtosekund? Det tar ljuset cirka 1 sekund att tillryggalägga avståndet jorden månen. På 1 femtosekund hinner ljuset inte mer än bråkdelen av ett hårstrås tjocklek! En femtosekund förhåller sig till en sekund på samma sätt som en sekund till 32 miljoner år. 1 femtosekund = 10-15 sekunder 1 pikosekund = 10-12 sekunder 1 nanosekund = 10-9 sekunder Ljuset går 1 millimeter på 3,3 pikosekunder. Den ljusinducerade kemiska reaktion som ger upphov till synimpulsen i våra ögon tar 100 femtosekunder. Lagringen av ljusenergin i fotosyntesens klorofyllpigment tar cirka 100 pikosekunder. Reaktionen som binder syrgas till blodets hemoglobin tar några tiotal femtosekunder Vågor av rött ljus utför en svängning på 2,5 femtosekunder. På tidskalan femtosekunder är alla konventionella mätmetoder hopplöst långsamma. De metoder vi använder i vår forskning utnyttjar ljushastigheten som måttstock. När vi studerar en snabb reaktion initierar vi den med en femtosekundpuls och utnyttjar en annan fördröjd puls till att ta reda på vad som hänt. Man kan säga att vi tar blixtbilder med femtosekundblixtar. Därmed fryser vi även molekylernas snabba rörelser. celler) har vi anledning att studera de två första stegen. Genom att utveckla processer som innehåller alla tre stegen, kan vi förhoppningsvis en dag erhålla system för artificiell fotosyntes. Vi illustrerar de två första processerna genom att se hur de sker i en enkel fotosyntetisk bakterie. Fotosyntesens unika lösning är att sönderdela vatten och producera bränsle i form av kolhydrat med hjälp av de energirika elektroner som ljuset förmår extrahera från vattnet. Vatten (H 2 O) + koldioxid (CO 2 ) + ljusenergi Æ syrgas (O 2 ) + kolhydrat (CH 2 O) n. Maskineriet som gör detta möjligt, är som vi strax skall se, ett synnerligen specialiserat system av pigmentmolekyler (klorofyll, karotenoider, manganatomer med flera) och proteiner. I ett system för artificiell fotosyntes vill vi åstadkomma samma sak, men kanske framställa det enklast tänkbara bränslet, vätgas, i stället för de komplicerade kolhydrater som naturen tillverkar. Ljusenergi insamlas I fotosyntesen sker dessa processer i så kallade antenn- och reaktionscentrumproteiner som sitter i cellens fotosyntesmembran. Ljusenergin samlas in av antennerna och transporteras till reaktionscentrum. Där omvandlas den till elektrisk laddning som i sin tur ger upphov till en elektrisk spänning och ett flöde av protoner genom fotosyntesmembranet. Protonflödet driver produktionen av cellens energivaluta (adenosintrifosfat, ATP) och den elektriska spänningen sönderdelar vatten i de gröna växterna. Bild 1a och 1b illustrerar hur antenn- och reaktionscentrum är uppbyggda hos en fotosyntetisk bakterie, med särskilt enkel uppbyggnad av pigmentsystemet. Framtidens energi kommer från solen 9
Antennen består av proteinkedjor (så kallade alfahelixar) ordnade i två koncentriska cirklar, mellan vilka pigmentmolekylerna är placerade. Pigmentmolekylerna är placerade med små avstånd mellan varandra, cirka 10 20 Ångström (1 Å = 10-10 m) vilket gör att energitransporten mellan pigmentmolekylerna blir mycket snabb och effektiv. Tre faktorer avgör hur snabb denna transport är avståndet, molekylernas relativa orientering, samt våglängden för deras ljusabsorption. Avståndet är mycket Illustration: Anette Hedberg. Bild 2a. Schematisk bild av fotosyntesens reaktionscentrum i gröna växter. Ljus exciterar klorofyllparet P680 och detta resulterar i ett elektronflöde tvärs över reaktionscentrumproteinet, genom P680, QA och QB för att sedan ta sig ut ur proteinet. Elektronerna som lämnar P680 ersätts med elektroner från vattnet som sönderdelas i mangankomplexet. Elektronflödet visas med ett antal pilar. 10 Framtidens energi kommer från solen
betydelsefullt i sammanhanget. En fördubbling av avståndet resulterar i 64 gånger långsammare energitransport. Vi kan tänka oss energitransporten som en hopprörelse med karakteristiska hopptider på 0,1 1 pikosekunder (faktaruta). I vår forskning i Lund studerar vi dessa förlopp genom att utnyttja mycket korta laserpulser som beskrivs i faktarutan. Eftersom förlustprocesserna i huvudsak utgörs av ljusemission (fluorescens), som äger rum på tidskalan nano- Illustration: Anette Hedberg. Bild 2b. En tänkbar syntetisk analog till reaktionscentrum. P680 motsvaras av ett ruteniumkomplex och vattenspjälkningskomplexet av två manganatomer. Ljuset exciterar ruteniumkomplexet. Detta resulterar i ett elektronflöde från mangankomplexet via ruteniumkomplexet till elektronacceptorn. Processen illustreras med pilar i figuren. Framtidens energi kommer från solen 11
sekunder så är effektiviteten i varje energihopp mycket hög, större än 99 procent. Det betyder att risken att energin går förlorad genom ljusemission är mindre än en procent i varje energihopp. Även för en antenn bestående av flera hundra antennmolekyler är energitransporten avslutad inom cirka 100 pikosekunder efter hundratals energihopp, med en total effektivitet av minst 95 procent. Den fotosyntetiska antennen är följaktligen en ytterst effektiv konstruktion för insamling och transport av ljusenergi. Blir till energirika elektroner Energitransportens sista steg är hoppet från ett antennpigment till ett par bakterieklorofyllmolekyler (klorofyll i gröna växter) i reaktionscentrum. När klorofyllparet exciteras av ljusenergin från antennen blir det ytterst benäget att ge ifrån sig en elektron (bild 2a och b). Genom dessa steg har energin i ljuset omvandlats till energirika elektroner som förts i säkerhet på motsatta sidan av fotosyntesmembranet, långt från Illustration: Anette Hedberg. Bild 3. Schematisk bild av en Grätzelsolcell. Ljuset tas upp av färgämnet (röda trianglar) som sitter fäst på de små titandioxidpartiklarna (grå bollar). Energirika elektroner överförs då från färgämnet till titandioxidpartiklarna och vandrar sedan mellan partiklarna ut i strömkretsen där de tex får en glödlampa att lysa. Efter uträttat arbete förs elektronerna tillbaks till färgämnet via elektrolytlösningen i solcellen. 12 Framtidens energi kommer från solen
det oxiderade klorofyllparet. På detta sätt är risken minimal att energin skall gå förlorad genom att elektronen återvänder till det oxiderade klorofyllparet. Ljusenergin är alltså säkrad i den spänning som elektronen och positiv laddning på olika sidor av fotosyntesmembranet utgör. Elektronerna blir bränsle Det oxiderade klorofyllparet i reaktionscentrum är en av naturens mest reaktiva ämnen. Det måste neutraliseras för att kunna ta emot energi från antennen igen, och därmed fortsätta att pumpa elektroner över membranet. Dessa elektroner extraheras i gröna växter från vatten med hjälp av ett proteinkomplex, som innehåller fyra atomer av grundämnet mangan. Sedan överförs de till det oxiderade klorofyllparet via bland annat en tyrosinaminosyra (bild 2a och b). Tyrosin är en av de tjugo aminosyror som bygger upp proteiner. Detaljerna i denna process är inte kända. Sönderdelningen av vatten resulterar i syrgas. Elektronerna som levereras av reaktionscentrum utnyttjas av växterna för produktion av den energirika substansen nikotinamiddinukleotidfosfat (NADPH 2 ) som tillsammans med ATP driver produktionen av kolhydrat (bränsle) genom fixering av koldioxid. Solljus blir el och bränsle Vi ser att naturens fotosyntes bär på principerna för omvandling av ljusenergi till både elektricitet och bränsle. Att ljus kan omvandlas till elektricitet upptäcktes av H. Becquerel 1839 då han, inspirerad av den nyligen uppfunna fotografin, undersökte ljusets effekter på platinaelektroder nedsänkta i lösningar av bland annat silverjodid. Bequerel lyckades få en ström att flyta mellan elektroderna under belysning. Därmed var den fotoelektriska effekten upptäckt. Detta fenomen utnyttjas i dag i solceller av kisel och andra liknande halvledarmaterial. Stora ansträngningar görs för att hitta nya typer av solcellsmaterial som är billigare än dagens halvledare, enklare och energisnålare att framställa, och som kan ges flexibla former. De ska dessutom enkelt kunna integreras i byggnader och konstruktionsdetaljer. Det finns två nya möjligheter att åstadkomma detta. Den ena går tillbaka på fotografins principer och lånar vissa av fotosyntesens aspekter. Den andra utnyttjar de senaste landvinningarna inom forskningen om plaster. Solceller ger elektrisk energi när solen skiner. Vill vi lagra den till molniga dagar, natten eller vintern, måste den omvandlas till ett lagringsbart bränsle, till exempel vätgas via elektrolys. Fotosyntesen visar på ett alternativt sätt att med hjälp av lämpliga substanser och ljus spjälka vatten i sina beståndsdelar, syrgas och vätgas. Vi skall beskriva en del av det arbete som pågår i många laboratorier världen över för att hitta nya typer av solcellsmaterial samt hur artificiell fotosyntes kan ge bränsle från solsken. Av tandkräm och hallonsylt Studenter i kemi vid Lunds universitet får lära sig att man kan framställa en fungerande solcell med hjälp av tandkräm och hallonsylt. Tandkrämen innehåller mycket små partiklar av titandioxid, och hallonsylten innehåller ett färgämne som effektivt absorberar solljuset. Detta är huvudkomponenterna i en så kallad Grätzelsolcell. Ett mycket tunt lager (cirka 1 mikrometer) nanometerstora partiklar av titandioxid läggs på en elektriskt ledande glasyta och färgämnesmolekyler binds till partiklarna. En sluten cell bildas med hjälp av ytterligare en ledande glaselektrod och elektrolytlösning (bild 3). De små titandioxidpartiklarna gör att den tunna filmen får en mycket stor inre yta, på vilken stora mängder färgämne kan fästas, och därmed ge en stark ljusabsorption. Titandioxid är i sig en halvledare (som kisel). Den är vit och reflekterar därmed Framtidens energi kommer från solen 13
alla synliga våglängder bara uv-ljus absorberas. Därför är den inte särskilt effektiv som solcellsmaterial. Här kommer emellertid hallonsylten in. Titandioxiden kan göras känslig för solens synliga våglängder (400 800 nanometer) genom att belägga de små partiklarna med ett färgämne som absorberar ljus av de rätta våglängderna, vilket hallonsylten åstadkommer. I en solcell för elproduktion används naturligtvis inte hallonsylt och tandkräm, utan ett specialutvecklat färgämne och titandioxidpartiklar med väl avvägda egenskaper, som gör att en stor mängd färgämne kan tas upp. Detta leder till att ljuset absorberas ytterst effektivt. Bild 3 illustrerar hur en Grätzelsolcell fungerar. Genom ljusabsorptionen deponeras ljusenergin i färgämnet, som övergår till ett exciterat tillstånd. Därefter överförs energin till titandioxidpartiklarna genom att energirika elektroner överförs från det exciterade färgämnet. Elektronerna transporteras mellan partiklarna genom det tunna skiktet till glaselektroden, och ut i den yttre kretsen där de kan utföra arbete genom att driva en elektrisk apparat. Efter fullgjort arbete återförs elektronerna via motelektroden och elektrolyten till färgämnet som åter- Illustration: Anette Hedberg. Bild 4. Ett tvåkomponentmaterial polymer-c 60 för solceller. Polymeren absorberar ljuset och effektiv laddningsseparation sker mellan polymer (positiv) och C 60 (negativ). Elektroner transporteras av kolbollarna och de positiva hålen av polymeren. Solceller med 3 procent omvandlingsgrad har konstruerats med denna typ av material. 14 Framtidens energi kommer från solen
Illustration: Anette Hedberg. Bild 5. Syntetiskt antennsystem uppbyggt av ruteniumkomplex liknande dem som används i det syntetiska reaktionscentrumet eller som sensitizer i Grätzelsolcellen. En sådan antenn tänks kopplad till det artificiella reaktionscentrum för att effektivt förse det med ljusenergi. Framtidens energi kommer från solen 15
går till sitt ursprungliga tillstånd. Färgämnet är därmed redo att absorbera ljus igen, sända en elektron in i titandioxidpartikeln och så vidare. Utnyttjar ljuspulser I denna typ av solceller visar beräkningar att den teoretiskt maximala verkningsgraden ljus el är ca 30 procent. De bästa forskningssolcellerna, som är mycket små, har en verkningsgrad på cirka 10 procent och större prototypsolceller 5 7 procent. Utrymmet är följaktligen stort att hitta nya, bättre materialkombinationer. För att åstadkomma detta är det nödvändigt att ha ingående kunskap om de olika delprocesserna. I vår forskning i Lund utnyttjar vi mycket korta femtosekundljuspulser och laserspektroskopi för att studera dessa förlopp. Genom att använda de allra senaste landvinningarna inom lasertekniken har vi i detalj kunnat kartlägga mekanismen för elektroninjektion från färgämne till titandioxid. Därmed har vi lagt grunden till utveckling av färgämnen med bättre elektroninjektion och högre stabilitet. Genom att kartlägga mekanismerna för de reaktioner som ligger till grund för ljusenergiomvandlingen strävar forskningen efter att till exempel hitta nya effektivare färgämnen, miljövänliga komponenter med lång livslängd, effektivare utformning av halvledarskiktet, plast- eller till och med pappersbas i stället för glas som elektrodsubstrat. När allt detta är förverkligat, förhoppningsvis inom 10 15 år, har vi en billig solcell tillverkad av lättillgängliga material, som kan ges mycket varierande utformning. Solceller av plast För cirka tjugo år sedan upptäcktes att plastmaterial kan leda ström. Att vissa typer blir elektriskt ledande vid belysning, alltså ungefär som de halvledare som används i konventionella solceller, upptäcktes för cirka tio år sedan. Dessa egenskaper är grundläggande för användning av plastmaterial i solceller och annan elektronik. Nobelpriset i kemi år 2000 tilldelades de tre forskare som först upptäckte och började utveckla elektriskt ledande polymerer. Efter tjugo års utvecklingsarbete börjar dessa material nu finna en rad tillämpningar, både med och utan ljusfunktion. I det första fallet kan till exempel bildskärmar, ljuskällor och displayer i mobiltelefoner nämnas. En stor utmaning nu är att finna nya material med egenskaper som gör dessa plastmaterial lämpliga som ljus-elomvandlare i solceller. De processer som ligger till grund för plasters, så kallade konjugerade polymerers, användning i solceller påminner om de som sker i de fotosyntetiska pigmentsystemen. Ljusabsorption skapar ett exciterat tillstånd i ett segment av polymerkedjan. Under gynnsamma förhållanden är elektronerna i det exciterade polymersegmentet så lättrörliga att de ger sig iväg från den del av polymeren som absorberade ljuset. På så sätt skapas fria elektroner och hål (den positiva laddning som elektronen lämnar efter sig), som rör sig genom polymermaterialet och kan ledas genom en strömkrets för att driva en elektrisk apparat. För ett effektivt material krävs att omvandlingsgraden från ljus till fria laddningar är hög samt att laddningarna är lättrörliga med små förluster. Med hjälp av ultrasnabb laserspektroskopi kan vi studera alla moment i processen, från ljusabsorptionen till laddningstransporten genom polymeren. Kolbollar i solceller De första experimentsolcellerna baserade på plastmaterial utnyttjade bara en slags polymer. Detta resulterade i solceller med låg verkningsgrad (mindre än en procent), på grund av dålig laddningsseparation och allt för långsam laddningstransport. Betydligt effektivare solceller kan erhållas genom att använda ett sammansatt material bestående av 16 Framtidens energi kommer från solen
två komponenter. Ett intressant och mycket undersökt material är en blandning av en polymer och kolbollar, C 60 -molekyler (bild 4). I detta material absorberas ljusenergin av polymeren och transporteras till en C 60 -molekyl där en elektron överförs. Elektronerna transporteras sedan mellan kolbollarna och de positiva hålen längs polymeren. På detta sätt har man lyckats framställa plastsolceller med cirka 3 procents verkningsgrad. Lång livslängd är en önskvärd egenskap hos en solcell. Det är ännu ett problem som återstår att lösa för plastsolceller. Man kan inledningsvis tänka sig tillämpningar där lång livslängd är mindre viktigt. I solceller utnyttjar vi polymermaterialens förmåga att omvandla ljus till elektrisk laddning. Det omvända förloppet sker också omvandling av laddning till ljus. Denna funktion kallas elektroluminiscens och ligger till grund för bildskärmar, ljuskällor och liknande. Experiment av den typ vi beskrivit ovan ger information om bägge förloppen, och därmed värdefull kunskap för utveckling av nya material till en rad tillämpningar. Foto: John Mead/Science Photo Library IBL. Bild 6. Det finns många olika sätt att samla in solljus. Detta är en solreflektor vid en solkraftstation. Här upphettas olja som förångar vatten och driver en el-generator. Man kan se detta som den makroskopiska (storskaliga) motsvarigheten till naturens fotosyntesmaskineri: Reflektorn motsvaras av fotosyntesantennen; elgeneratorn motsvaras av reaktionscentrum. Platsen är White Cliffs i Australien. Framtidens energi kommer från solen 17
Artificiell fotosyntes Genom hundratals miljoner år har den naturliga fotosyntesen utvecklats till ett specialiserat molekylärt maskineri för omvandling av ljusenergi till organiskt bränsle (kolhydrat). I ett omfattande samarbetsprojekt söker konsortiet för artificiell fotosyntes (med forskargrupper i Lund, Stockholm och Uppsala) utforma ett supramolekylärt system (sammansatt molekylkomplex) för artificiell fotosyntes, bestående av till exempel en ruteniumdel och en mangandel. Bild 2 visar hur naturens fotosystem för sönderdelning av vatten står som förebild för det artificiella systemet. Fotosyntesens klorofyllpar P680 motsvaras här av ett ruteniumkomplex. Naturens komplex med fyra manganatomer för vattenspjälkningen utgörs i det syntetiska systemet av ett molekylkomplex med två manganatomer. Rutenium- och mangankomplexen är länkade till varann och i likhet med den naturliga processen tänker man sig att med hjälp av energin i ljuset extrahera elektroner från vatten och föra dem via de två komplexen till en enhet (elektronacceptor) där bränsle kan framställas. Som elektronacceptorer undersöks en rad möjligheter organiska molekyler, metallkomplex, nanopartiklar av titandioxid med mera. För närvarande läggs stor kraft på att hitta molekylkomplex för vattnets sönderdelning, eftersom denna reaktion representerar en mycket speciell och avancerad kemi. Vattnets sönderdelning i den naturliga fotosyntesen är dessutom inte helt utredd. För närvarande finns molekylkomplex som förmår extrahera upp till tre elektroner. Den stora utmaningen är att utveckla nya molekyler som förmår extrahera fyra elektroner från vatten och därmed ge förutsättningar för framställning av bränsle, till exempel vätgas. I likhet med naturens fotosyntes behöver ett artificiellt system ett antennsystem för att effektivt utnyttja ljusflödet från solen. Många antennsystem, bestående av olika slags pigmentmolekyler, har undersökts. Antennkomplexet i bild 5 är uppbyggt av ruteniumenheter liknande dem som tjänstgör som elektrondonator i det artificiella reaktionscentrumet. Tanken är att ett antennkomplex skall kopplas till det artificiella reaktionscentrumet och på så sätt förse detta med ljusenergi. Det tog naturen lång tid miljontals generationer att utveckla fotosyntesen som vi känner den idag. Genom att låna lämpliga delar av naturens problemlösningar borde forskarna kunna hitta genvägar för att framställa ett artificiellt system för produktion av bränsle från sol och vatten, på högst någon generation (bild 6). Villy Sundström är professor vid avdelningen för kemisk fysik, Lunds universitet. Femtokemi är hans forskningsspecialitet. Lästips från författaren Grätzel, M. och Moser, J.-E.: Kap: Solar Energy Conversion. Eds: V. Balzani och I. Gould: Electron Transfer in Chemistry, vol. 5. Wiley-VCH, 2001. Stryer, L.: Biochemistry. W.H. Freeman, 1988. Sun, L.C., Hammarström, L., Åkermark, B. och Styring, S.: Towards artificial photosynthesis: ruthenium-manganese chemistry for energy production. Chemical Society Reviews, 2001, 30, sid. 36 49. Sundström, Villy: Femtokemi avslöjar kemins innersta väsen. Kemisk tidskrift, 1999:11, sid. 4 9. 18 Framtidens energi kommer från solen