lu.se

LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA

Lunds universitet

Denna sida på svenska This page in English

Nano-energi

Nanoenergi
I epitaximaskiner som dessa byggs materialen i nanotrådarna upp atomlager för atomlager genom att materialen förs in i gasform vid några hundra graders temperatur. Man kan till och med ”vrida” lagren så att intressanta kristallstrukturer uppstår. Alla parametrar måste givetvis övervakas minutiöst.
solfångare
Som en skog av stolpar i storleken 130 nanometer breda till några mikrometer långa har här ett stort antal nanotrådar arrangerats till en liten men förvånande effektiv solcell. (En nanometer är en miljondels millimeter, en mikrometer en tusendels millimeter.)
nanotråd
Det är i behållare som dessa som nanotillverkningen sker.

Nanotekniken kan förhoppningsvis revolutionera vår energianvändning, såväl produktion som konsumtion. Forskarna i Lund hoppas effektivt kunna framställa el från solljus och från spillvärmen i exempelvis bilmotorer och även att spara energi genom energisnålare lampor och transistorer.

I framtiden kanske det finns nanorör i båda ändarna av sladden. Elströmmen skapas i solcellens diod och blir åter ljus i en nanotråd i LED-lampan!

Magnus T Borgström, biträdande universitetslektor på Avdelningen för fasta tillståndets fysik och biträdande koordinator i Nanometerkonsortiets nanoenergigrupp berättar för LTH-nytt om vad forskarna arbetar med.

– En timme om året av den solenergi som strålar in till jordklotet skulle räcka för mänsklighetens nuvarande energibehov, om man bara kunde ta vara på den helt och hållet, säger han. Dit har vi inga möjligheter att nå, men de allra bästa solcellerna har nått en effektivitet på fantastiska 43,5 procent (från Solar-Junction i Silicon Valley, USA). Men solcellen är gjord på gallium-arsenid, ett substrat som är dyrt och som dessutom inte finns i de mängder som skulle behövas för att ”rädda världen”. Med nanotrådar går det åt mindre av sådana material och tillverkningen kan förhoppningsvis bli snabbare.

Inom Nanometerkonsortiet hoppas man utveckla billigare solceller genom att använda billigare material som kisel som substrat och smarta kombinationer av ämnen i nanodioder. Det mesta på Fasta tillståndets fysik i Lund kretsar kring nanotrådarna, där man tillsammans med japaner och amerikaner är världsledande. När det gäller solenergin finns det redan ett företag i Lund, Sol Voltaics AB, som försöker utveckla en kommersiell teknik grundat på nanotrådarna som dioder.
Inom EU-projektet Amon-Ra (i detta fall inte en egyptisk solgud) utvecklar man nanotråds-baserade solceller av flera segment, där varje segment kan absorbera en färg i solens spektra. Projektet, som samordnas av Knut Deppert, kan på sikt leda till högeffektiva tandemsolceller. Tyska, österrikiska och danska universitet och institut deltar i forskningen.

Man utvecklar också i samarbete med Malmöbaserade företaget Obducat AB en så kallad imprint-metod (med en slags nanostämpel) för att placera en stor mängd nanotrådar jämnt över ett underlag. Dessa plattor med omkring tio miljoner uppåtstående nanotrådar på en kvadratmillimeter tycks kunna ”fånga in” förvånansvärt mycket solljus trots att de är så små – som ungefär en tusendels hårstrå. Teoretiskt skulle man med 20 procents yttäckning kunna fånga lika mycket solljus som kompakta plattor av samma material (konventionell tunnfilmsteknik).

– Trots att nanotrådarna bara täcker 2 procent av ytan är verkningsgraden 3,8 procent. Med den kontroll av egenskaperna hos nanotrådarna vi har borde det här kunna locka företag och riskkapital, menar Magnus T Borgström.

Trots allt återstår det mycket forskning innan metoden fungerar och lätt kan tillverkas. En alternativ geometri för nanotrådssolceller har nyligen börjat utvecklas i Lund. Preliminära resultat från Sapporo i Japan med samma teknik ser lovande ut. Inom projektet Nanordsun växes materialen radiellt, utanpå varandra, i stället för ovanpå varandra i trådens längdriktning. För dessa tjockare trådar finns stora förhoppningar men ännu inga mätningar.

En alternativ tillverkningsmetod som nyligen börjat provas är aerotaxi med kemikalier i aerosolfas. För denna håller en ny maskin på att byggas i Nanolabbet. Denna billigare metod utvecklas tillsammans med avknoppningsföretaget Sol Voltaics AB och innebär att nanotrådar bildas fritt svävande i gasen i tillverkningsmaskinen.

Det stora EU-projektet upphör i år, men forskningsmedelmedel finns också från E.ON International Research Initiative, från Vetenskapsrådet till Magnus T Borgström och nu även från Energimyndigheten till honom och hans doktorand Jesper Wallentin.

Längst mot produktion har kanske lysdioder (LED-lampor) byggda på nanotrådar kommit. Här grundade professor Lars Samuelson Ideonföretaget GLO, som nu startat produktion i Silicon Valley, där expertis som behövs är väletablerad. Tekniken här är ganska lik den som används för att fånga solljus men man så att säga vänder på processen, för in elektroner i dioden och får ut fotoner (ljus). Dessa lampor ska vara ytterst energieffektiva, ha en livslängd på 20 år, göras i billiga och ofarliga material utan de giftiga ämnen som ingår i dagens fluorescerande lågenergilampor.

Lysdiodforskningen fick nyligen 16 miljoner kronor från Stiftelsen för Strategisk Forskning (SSF) och inom kort startar ett EU-projekt inom området som även det leds av Lars Samuelson.

Professor Heiner Linke utvecklar nanorör som omvandlar värme till elektricitet. Tanken är här att med en liknande teknik kunna utnyttja spillvärme för elproduktion, t ex i motorfordon.

Nanotrådar i halvledarmaterial har också en plats i försöken att bygga minimala och energi-snåla transistorer. Claes Thelander leder den forskningen och 2005–2009 var han involverad i EU-projektet ”NODE” (Nanowire-based One-Dimensional Electronics), som hade tolv europeiska partners och leddes av Lars Samuelson.

TEXT OCH FOTO: MATS NYGREN

Nanoenergi

En nanotråd byggs upp genom att exponera mikroskopiska gulddroppar för en gas som innehåller atomer av t ex gallium och arsenik. De legerar med metallpartikeln (guldet) och då legeringen blir övermättad börjar en nanotråd att växa, atomlager för atomlager på substratet av t ex kisel. Genom att byta ämnena i gasen, laborera med temperatur och tryck etc kan tråden formas i detalj och t ex förses med lager av material med olika halvledaregenskaper. Det avgör hur elektronerna uppträder i materialen exempelvis när tråden värms upp eller belyses.
Mer information finns bland annat här:
www.nano.lth.se | www.qunano.se
www.solvoltaics.se | www.glo.se
www.amonra.eu