Trädens löv kan hjälpa oss skörda energi

Kanske kan vi i framtiden skörda energi med hjälp av löv som vajar i vinden. Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik har tagit fram en metod och ett material som genererar en elektrisk impuls vid övergången från sol till skugga, och tvärtom.

– Växterna och deras fotosyntes påverkas hela tiden av växlingarna mellan sol och skugga. Vi har tagit inspiration från det och tagit fram en kombination av material där förändringarna i värme mellan sol och skugga genererar elektricitet, säger Magnus Jonsson, docent och forskningsledare för forskargruppen inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet.

Resultatet, som har verifierats både i experiment och med hjälp av simuleringar, har nu publicerats i Advanced Optical Materials.

Tillsammans med forskare vid Göteborgs universitet har Magnus Jonsson och hans forskargrupp tidigare tagit fram små nanoantenner som absorberar solljus och genererar värme. En gemensam artikel där antennerna placerades i fönsterglas för att minska kallras och spara energi i byggnader presenterades i Nano letters under 2017. De nanosmå antennerna reagerar på ljus nära det infraröda spektrumet och bildar värme.

Nu har Mina Shiran Chaharsoughi, doktorand i Magnus Jonssons forskargrupp, tagit tekniken ett steg vidare och skapat en liten optisk generator genom att kombinera de små antennerna med en pyroelektrisk film.

Att den är pyroelektrisk innebär att det uppstår en elektrisk spänning över materialet när det värms upp eller kyls av. Förändringen av temperatur gör att positiva och negativa laddningar rör sig åt varsitt håll och genererar en elektrisk ström.

Antennerna består av små metallskivor, i detta fall i guld, som är 160 nm (eller 0,16 mikrometer) i diameter. De placeras på ett substrat och sätts sedan samman med en film av ett par olika polymerer som ger de pyroelektriska egenskaperna.

– Nanoantennerna kan tillverkas över stora ytor där de små skivorna placeras på jämna avstånd från varandra, i vårt fall sitter de med cirka 0,3 mikrometers mellanrum. Vi har använt guld eller silver, men de kan även tillverkas i aluminium eller koppar, säger Magnus Jonsson.

Antennerna ger värme som sedan omvandlas till elektricitet med hjälp av polymermaterialet. Polymerfilmen behöver först polariseras för att en dipol ska skapas över filmen - en tydlig skillnad mellan positiv och negativ laddning. Graden av polarisering påverkar hur hög effekten blir, medan tjockleken på polymerfilmen inte verkar påverka effekten alls.

– Polariseringen tvingar vi in i materialet som vi kan visa förblir polariserat över lång tid, säger Magnus Jonsson.

Mina Shiran Chaharsoughi har också för att tydliggöra fenomenet gjort ett experiment där hon höll en kvist med blad under en fläkt och där bladens rörelser skapade sol och skugga över den optiska generatorn som i sin tur producerade små elektriska pulser genom en extern krets.

– Forskningen är bara i sin linda, men kanske kan vi i framtiden utnyttja de naturliga skillnaderna mellan sol och skugga i träden för att skörda energi, säger Magnus Jonsson.

Mer närliggande tillämpningar finns inom optikforskningen, som ljusdetektering på nanoskalan eller för optiska datorer.

Hybrid Plasmonic and Pyroelectric Harvesting of Light Fluctuations, Mina Shiran Chaharsoughi, Daniel Tordera, Andrea Grimoldi, Isak Engquist, Magnus Berggren, Simone Fabiano, Magnus P. Jonsson, Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet, campus Norrköping, Advanced Optical Materials 2018. DOI 10.1002/adom.201701051

Kontakt: Magnus Jonsson, magnus.jonsson@liu.se

011 36 34 03