Dnr

SAMMANFATTNING AV SLUTRAPPORT

Energirnyndigheten

Datum

149.1

Proj. nr i _ /

2016 Ar

V°

Dnr

ISTATENS ENERGIMYNDIGHET Ank. 2016 -03-

Energimyndighetens titel på projektet — svenska

Fotonfission och —fusion: Bortom gränsen för konv

Projektnr

0 736436-1

D/Dnr . - • t

Energimyndighetens titel på projektet — engelska

Photon Fission & Fusion: Beyond the Limits of Conventional Solar Energy Technologies Ev. Energimyndighetens program

Tidplan

El och bränsle från solen

20130101-20151231

Total projektkostnad

Energimyndighetens andel av kostnaden i %/kr

9 000 000

100

Ev. rapporttitel hos stödmottagaren

Ev. rapportnr hos stödmottagaren

[Klicka här och skriv]

[Klicka här och skriv]

Universitet/högskola/företag

Avdelning/institution

Chalmers tekniska högskola

Kemi och kemiteknik

Adress

Organisationsnummer

41296 Göteborg

556479-5598

Namn och e-post - projektledare

Professor Bo Albinsson [email protected] Namn och e-post — Huvudförfattare/ medförfattare/projektdeltagare/doktorander

Professor Jerker Mårtensson [email protected] Docent Maria Abrahamsson [email protected] Professor Björn Sanden [email protected] Docent Kasper Moth-Poulsen [email protected] Nyckelord: 5-7 st

Solbränsle, Solceller, Fotonuppkonvertering, Fotonnedkonvertering, Singlettfission, Triplett-Triplett Annihilering

Sammanfattning

EM2022W-4.0, 2011-

Detta projekt avser att utveckla strategier för att möjliggöra användning av hela solspektrumet genom att ändra ljusets frekvens så att det bättre passar en specifik solenergiapplikation. Två komplementerande processer, singlettfission (SF) och sensibiliserad uppkonvertering genom triplett-triplett annihilation (TTA-UC), som gör ned- respektive uppkonvertering av ljusets frekvens, har undersökts. Målsättningen har varit att brygga gapet mellan teoretiska modeller, experiment och applikationer genom att etablera fundamentala designkriterier för ljussamlande material som gör SF och TTA-UC i system för solenergiomvandling. Målsättningen var att utveckla ett tekniskt koncept men många fundamentala frågeställningar måste besvaras innan praktisk användning av dessa processer kan realiseras. Vi anser att forsätningen av det här beskrivna projektet kommer att få mycket stort genomslag genom att forma framtidens solenergiteknologier.

Box 310 • 631 04 Eskilstuna • Besöksadress Kungsgatan 43 Telefon 016-544 20 00 • Telefax 016-544 20 99 [email protected] www.energimyndigheten.se Org.nr 202100-5000

1(4)

A636

e

2 (4)

Energimyndigheten

Datum

Projektnr

2016-02-29

36436-1

Summary This project aims to develop strategies to enable productive use of the entire solar spectrum by tuning the light frequencies to the requirements of specific solar energy conversion materials. Two complementary physical processes, singlet fission (SF) and sensitized triplet-triplet annihilation up-conversion (TTA-UC) doing down- and up-conversion, respectively, have been investigated. The specific aims have been to bridge the gap between theory, proof-of-principle experiments and applications by establishing fundamental design criteria for light harvesting systems that enable SF and TTA-UC in functional solar energy conversion materials. While the successful assembly of such systems into devices is a prerequisite for future implementations, many fundamental questions remain to be answered before it can be realized in any practical settings. We believe that the continuation of this project will have enonnous impact in shaping future solar energy technologies.

Inledning Projektet syftar till en ny teknologi som tar till vara den del av solljuset som antingen har för lång eller för kort våglängd för att utnyttjas effektivt i en primär solenergiprocess (solcell eller solbränsle). Vi utvecklar supramolekylära system som genom sin förutbestämda organisation i rummet kan driva processerna uppkonvertering genom triplett-triplett annihilering ("fotonfusion" — TTA-UC) och nedkonvertering genom singlettfission (SF) för att tillvara detta ljus. Båda dessa forskningsområden är mycket heta och antalet vetenskapliga artiklar har ökat dramatiskt under projekttiden (2013-2015). Inom TTA-UC har utvecklingen framförallt varit inriktad på att designa molekylära system där den inneboende syrekänsligheten hos de fysikaliska processerna kan bemästras genom högviskösa matriser. Relativt imponerande verkningsgrader har åstadkommits genom en kompromiss mellan nödvändig molekylär rörlighet och samtidig begränsning av syretillgängligheten. Dock har ännu ingen lyckats att göra uppkonvertering i helt fasta material då detta kräver supramolekylär design där komponenterna hålls samman i ett molekylärt komplex. Att framställa sådana komplex är ett av målen för vårt projekt. Inom SF-fältet har också att antal genombrott skett där imponerande verkningsgrader har uppnåtts både för koncentrerade lösningar av pentacenderivat och i bimolekylära komplex av tetracen. Ingen har dock ännu visat hur dessa processer skall integreras effektivt i solceller.

Huvudresultat TTA-UC delen har fokuserat på framställning av ett supramolekylärt komplex där de ingående fotofysikaliska processerna sker i en och samma molekyl, vilket möjliggör effektivare uppkonvertering och lägre syrekänslighet, en grund för framtida implementering. Vi har framställt ett antal olika dendrimermolekyler som har visat betydligt högre uppkonvertering än motsvarande monomer i fasta matriser och vi har dessutom optimerat bindningen av den sensibiliserande molekylen till dendrimererna. Vidare utveckling är nödvändig men de positiva

3 (4) Energimyndigheten

Datum

Projektnr

2016-02-29

36436-1

resultaten ger gott hopp om att vi kan nå fram till ett effektivt supramolekylärt TTA-UC system. Inom SF-delen har huvudmålet varit att gå från system i lösning till ytor, vilket bedöms nödvändigt för framtida applikationer. Vi har tagit fram en effektiv strategi för syntes av en kromoforer kända för att genomgå SF med en adderad brygga för ankring till en modellyta av zirkoniumoxid. Det återstår dock att visa att SF sker i dessa material, liksom att etablera riktlinjer för hur den optimala SF- strukturen skall se ut. Måluppfyllelse

• Designat och framställt material för singletffission och upp-konvertering genom triplett-triplett annihilation Uppfyllt. Flera system för TTA-UC har utvecklats och studerats. För SF är det delvis uppfyllt i och med att SF ännu inte påvisats med ytbundna kromoforer. • Utvecklat en prediktiv modell för den nödvändiga elektroniska kopplingen mellan de olika komponenterna i de molekylära materialen. Delvis uppfyllt. Den teoretiska beskrivningen är fortfarande relativt grov, stort utrymme för vidare utveckling finns. • Optimerat den elektroniska kopplingen mellan upp- och nerkonverteringsmaterialen och minst två typer av solceller. Delvis uppfyllt. Vi har demonstrerat hur TTA-UC kan användas för att kraftigt öka verkningsgraden hos en solbränsleprocess (Artikel (1) i bilaga 1) • Demonstrerat minst 25 % högre verkningsgrad i labb-skala genom uppkonvertering i ett antal solenergiapplikationer. På sikt förväntas denna teknologi kunna öka verkningsgraden med 50 %. Delvis uppfyllt. TTA-UC har använts för att öka verkningsgraden hos en solbränsleprocess med upp till 130 % (Artikel (1) i bilaga 1). • Genomfört miljöbedömningsstudier av 2-3 relevanta teknikkoncept. Uppfyllt. Bland annat har en prospektiv livscykelanalys (LCA) genomförts för antracen-dendrimerer. Analysmodellen möjliggör snabba uppskattningar av miljöpåverkan för olika teknikkoncept. • Utvecklat programvara för automatiserad bevakning och analys av trender inom kompletterande och konkurrerande teknik. Uppfyllt. Programvara för textbaserad sökning och kartläggning av patent har utvecklats och använts. • Identifierat 1-3 patenterbara teknologier eller processteg samt 3-5 nischmarknader där de olika teknikkoncepten kan finna en första tillämpning. Delvis uppfyllt. Patentansökan (svensk och europeisk) har inskickats med hjälp från Chalmers Ventures. Svensk patentansökan: SOLAR ENERGY COLLECTION-P-SE nr. 1451568-8 (2014), European Patent Application: SOLAR ENERGY COLLECTION, PCT/EP2015/080324 (2015).

e

4 (4)

E nergimyndigheten

Datum

Projektnr

2016-02-29

36436-1

• Identifierat 1-2 koncept lämpliga att ta vidare till teknikdemonstration i steg 2. Uppfyllt. Både för TTA-UC och SF är framtidsmålet att kunna använda upp- och ned-konverterat ljus som en "add-on" teknologi till såväl nuvarande som framtida solenergiteknologi. • Etablerat kontakt med potentiella industriella samarbetspartners och kartlagt hinder och möjligheter för utveckling av ett innovationssystem kring tekniken och möjliga roller för svenska industriella aktörer. Delvis uppfyllt. Hinder och möjligheter för solcellsinnovationssystem har kartlagts som en delstudie i "teknologiska innovationssystem inom energiområdet". Djupare studier planeras. • Utbildat tre teknologie licentiater och skickat in minst sju artiklar för vetenskaplig publicering i internationella tidskrifter med stort genomslag. Uppfyllt. Victor Gray (2015), Damir Dzebo (2015) och Fredrik Johansson (våren 2016). 19 publikationer med stort genomslag har publicerats (se bilaga 1). Effekter i samhället

Projektets grundforskningskaraktär gör att kommersiella produkter ännu inte framställts. Vi har producerat populärvetenskapliga artiklar och föredrag och vi har, med stöd av Chalmers energistyrkeområde, byggt en demonstrationsanläggning på campus. Denna anläggning besöktes av Kung Carl Gustav XVI under hans besök på Chalmers 2015 vilket fick en hel del uppmärksamhet i media. 18-21 april, 2016 arrangerar vi den första internationella konferensen inom SF och TTA-UC ("ist International symposium on singlet fission and photon upconversion"), vilken lockat fältets samtliga ledande forskare.

Genomförande Projektet har drivits av de seniora forskarna och tre doktorander (heltid) och en post-doc (deltid) under alla tre projektåren. Dessutom har ytterligare en doktorand och en post-doc varit delaktiga i mindre omfattning (ca 0.5 år var). Samtliga seniora projektdeltagare har varit engagerade i handledning och ledning av projektet. Regelbundna projektmöten där resultat har redovisats och diskuterats, och nya inriktningar har beslutats, har hållits under hela projekttiden. Doktoranderna Victor Gray och Damir Dzebo har varit mest inriktade mot syntes och spektroskopiska studier av supramolekylära TTA-UC system, medan Fredrik Johansson enbart har varit inriktad mot tillverkning av SF-material. Duncan Kushnir, postdoktor, har arbetat med aktiviteterna rörande miljöbedömningsstudier och utveckling av programvara för automatiserad bevakning. Till projektet har knutits en referensgrupp bestående av medlemmar från såväl akademi som näringsliv. Referensgruppen har varit mycket betydelsefull för att fokusera ansträngningarna mot teknologier som kan komma att få genomslag kommersiellt.

Bilaga 1. Refereegranskade artiklar i projektet 2013-2015 (1) Börjesson, K.; Dzebo, D.; Albinsson, B.; Moth-Poulsen, K. Photon upconversion facilitated molecular solar energy storage. Journal of Materials Chemistry A 2013, 1 (30), 8521-8524. (2) Börjesson, K.; Lennartson, A.; Moth-Poulsen, K. Efficiency Limit of Molecular Solar Thermal Energy Collecting Devices. Acs Sustainable Chemistry & Engineering 2013, 1 (6), 585590. (3) Gilbert, M.; Esdaile, L. J.; Hutin, M.; Sawada, K.; Anderson, H. L.; Albinsson, B. Conformational Gating of Charge Separation in Porphyrin Oligomer-Fullerene Systems. J Phys Chem C 2013, 117 (50), 26482-26492. (4) Gschneidtnei, T. A.; Moth-Poulsen, K. A photolabile protection strategy for terminal alkynes. Tetrahedron Letters 2013, 54 (40), 5426-5429. (5) Heuer, W. B.; Xia, H. L.; Ward, W.; Zhou, Z.; Pearson, W. H.; Siegler, M. A.; Sarjeant, A. A. N.; Abrahamsson, M.; Meyer, G. J. New Dicarboxylic Acid Bipyridine Ligand for Ruthenium Polypyridyl Sensitization of TiO2 (vol 51, pg 3981, 2012). Inorganic Chemistry 2013, 52 (14), 8283-8283. (6) O'Donnell, R. M.; Johansson, P. G.; Abrahamsson, M.; Meyer, G. J. Excited-State Relaxation of Ruthenium Polypyridyl Compounds Relevant to Dye-Sensitized Solar Cells. Inorganic Chemistry 2013, 52 (12), 6839-6848. (7) Abrahamsson, M.; Hedberg, J. H. J.; Becker, H. C.; Staniszewski, A.; Pearson, W. H.; Heuer, W. B.; Meyer, G. J. High Extinction Coefficient Ru-Sensitizers that Promote Hole Transfer on Nanocrystalline Ti02. Chemphyschem 2014, 15 (6), 1154-1163. (8) Börjesson, K.; Coso, D.; Gray, V.; Grossman, J. C.; Guan, J. Q.; Harris, C. B.; Hertkorn, N.; Hou, Z. R.; Kanai, Y.; Lee, D.; Lomont, J. P.; Majumdar, A.; Meier, S. K.; Moth-Poulsen, K.; Myrabo, R. L.; Nguyen, S. C.; Segalman, R. A.; Srinivasan, V.; Tolman, W. B.; Vinokurov, N.; Vollhardt, K. P. C.; Weidman, T. W. Exploring the Potential of Fulvalene Dimetals as Platforms for Molecular Solar Thermal Energy Storage: Computations, Syntheses, Structures, Kinetics, and Catalysis. Chem-Eur J 2014, 20 (47), 15587-15604. (9) Börjesson, K.; Gilbert, M.; Dzebo, D.; Albinsson, B.; Moth-Poulsen, K. Conjugated anthracene dendrimers with monomer-like fluorescence. Rsc Adv 2014, 4 (38), 19846-19850. (10) Börjesson, K.; Lennartson, A.; Moth-Poulsen, K. Fluorinated fulvalene ruthenium compound for molecular solar thermal applications. J Fluorine Chem 2014, 161, 24-28. (11) Gray, V.; Dzebo, D.; Abrahamsson, M.; Albinsson, B.; Moth-Poulsen, K. Triplet-triplet annihilation photon-upconversion: towards solar energy applications. Phys Chem Chem Phys 2014, 16 (22), 10345-10352. (12) Gray, V.; Lennartson, A.; Ratanalert, P.; Börjesson, K.; Moth-Poulsen, K. Diarylsubstituted norbornadienes with red-shifted absorption for molecular solar thermal energy storage. Chem Commun 2014, 50 (40), 5330-5332. (13) Jarenmark, M.; Fredin, L. A.; Hedberg, J. H. J.; Doverbratt, I.; Persson, P.; Abrahamsson, M. A Homoleptic Trisbidentate Ru(II) Complex of a Novel Bidentate Biheteroaromatic Ligand

B ased on Quinoline and Pyrazole Groups: Structural, Electrochemical, Photophysical, and Computational Characterization. Inorganic Chemistry 2014, 53 (24), 12778-12790. (14) Karlsson, E. A.; Lee, B. L.; Liao, R. Z.; ÅkeLmark, T.; Karkas, M. D.; Becerril, V. S.; Siegbahn, P. E. M.; Zou, X. D.; Abrahamsson, M.; Åkermark, B. Synthesis and ElectronTransfer Processes in a New Family of Ligands for Coupled Ru-Mn-2 Complexes. Chempluschem 2014, 79 (7), 936-950. (15) Gatty, M. G.; Kahnt, A.; Esdaile, L. J.; Hutin, M.; Anderson, H. L.; Albinsson, B. Hopping versus Tunneling Mechanism for Long-Range Electron Transfer in Porphyrin Oligomer Bridged Donor- Acceptor Systems. J Phys Chem B 2015, 119 (24), 7598-7611. (16) Gilbert, M.; Albinsson, B. Photoinduced charge and energy transfer in molecular wires. Chem Soc Rev 2015, 44 (4), 845-862. (17) Gray, V.; Dzebo, D.; Lundin, A.; Alborzpour, J.; Abrahamsson, M.; Albinsson, B.; MothPoulsen, K. Photophysical characterization of the 9,10-disubstituted anthracene chromophore and its applications in triplet-triplet annihilation photon upconversion. J Mater Chem C 2015, 3 (42), 11111-11121. (18) Lennartson, A.; Roffey, A.; Moth-Poulsen, K. Designing photoswitches for molecular solar thermal energy storage. Tetrahedron Letters 2015, 56 (12), 1457-1465. (19) Kuisma, M. J.; Lundin, A. M.; Moth-Poulsen, K.; Hyldgaard, P.; Erhart, P. Comparative Ab-Initio Study of Substituted Norbornadiene-Quadricyclane Compounds for Solar 'Thermal Storage. The Journal of Physical Chemistry C 2016, 120 (7), 3635-3645.