Michael Odelius, professor, Fysikum

Från kemiska processer i vätskor till elektronstruktur i material
Många olika sorters expertis särskilt inom olika grenar av fysik krävs för att undersöka och utveckla energirelaterade tillämpningar.
‒ Själv är jag ursprungligen kemist, men eftersom jag alltid gillat matematik
så kom jag att intressera mig för teoretisk kemi och läste mest kurser i matematik, kvantmekanik och fysikalisk kemi. Efter att ha doktorerat i fysikalisk kemi vid Stockholms universitet, åkte jag en period utomlands och lärde mig mer om hur man kan undersöka dynamik och elektronstruktur för molekyler i kemiska lösningar, på ytor och i material. Denna kombination av kvantmekanik och datorsimuleringar behövs för att studera hybridblyhalidperovskiter; kombinerat organiska-oorganiska material som uppvisar lovande egenskaper i solceller.

Fysikums forskare kan bidra till en hållbar energiproduktion
Utveckling mot ett hållbart samhälle är en knepig fråga för en institution som Fysikum, där många forskningsprojekt konsumerar stora mängder energi till synes utan direkt nytta för samhället. En grundläggande egenskap i nyfikenhetsdriven grundforskning är dock att vi inte i förväg kan säga vilken forskning som leder till viktiga insikter och kan överföras till samhällsutveckling.
‒ På en bred forskningsfront medverkar forskare vid Fysikum i satsningar som kan bidra till övergången till en hållbar energiproduktion.

Hur kan kvantkemiska beräkningar bidra till utvecklingen av nya energikällor?
Vi behöver hitta nya hållbara energikällor som kan konkurrera ekonomiskt och storskaligt med befintliga fossila energikällor. I Sverige är elproduktionen till stor del fossilfri och i nuläget huvudsakligen baserad på vattenkraft och kärnkraft, men även här finns det anledning att öka andelen solenergi i både småskaliga och storskaliga tillämpningar. Med kvantkemiska beräkningar kan vi undersöka elektronstrukturen i hybridblyhalidmaterial och särskilt valensband och ledningsband som involveras i elektroniska processer för hålledning och elektrontransport. Deras egenskaper är avgörande både för hur solljuset absorberas och för den laddningsseparation som skapar ström från solcellen.

Elektronstruktur i hybridblyhalidmaterial
I bilden ser vi hur en elektronorbital i toppen av valensbandet bidrar till att destabilisera den kemiska bindningen i en viss hybridblyhalid, metylammoniumblytrijodid. Dess antibindande karaktär visualiseras av att orbitalen byter färg längs bly-jodid bindningen. Atomerna särskiljs också på följande sätt: bly(svart), jod(violett), kol(grått), kväve(blått), väte(vitt).


Från solenergi till elektrisk energi
Solceller möjliggör en ren omvandling av solenergi till elektrisk energi, men tillverkningen av solceller är ofta både kostsam, energikrävande, och i vissa fall miljöfarlig. Därför undersöks idag tusentals olika tekniska lösningar och olika solcellsmaterial.

Hybridblyhalidperovskiter är en ny lovande klass av material som kan produceras billigt och ge effektiva solceller, men de är instabila och innehåller miljöfarligt bly. Därför behövs grundläggande forskning för att undersöka om det finns bättre alternativ. De kallas hybridmaterial eftersom de innehåller både organiska och oorganiska komponenter, i detta fall organiska metylammonium-joner (CH3NH3+) i en oorganisk matris av blytrijodid (PbI3-).

Fysikalisk kemi och kvantmekanik för att förstå solcellens egenskaper
Forskning bygger ofta på internationella samarbeten och i en publikation tillsammans med kollegor från Tyskland och USA, har vi visat hur de organiska och oorganiska delarna i solcellerna växelverkar och hur elektronstrukturen påverkas.

För att förstå vad som ger dessa material så fördelaktiga egenskaper, behöver vi undersöka underliggande elektroniska och molekylära processer. Fysikalisk kemi och kvantmekanik är spännande forskningsfält där vi kan bidra till förståelsen av solcellens egenskaper och effektivitet.

Mer information