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Energiegewinnung: Mikroskopische Goldbarren wandeln Licht in Strom

Ein Feld von Gold-Nanoantennen auf einer SiliziumunterlageLaden...
Heutige Solarzellen schlucken nicht jeden Sonnenstrahl, der es durch die Atmosphäre der Erde schafft und auf die Erdoberfläche trifft. Ein Teil des Sonnenlichts produziert daher keinen Strom, da nur Lichtwellenlängen, deren Energie eine bestimmte Schwelle – die so genannte Bandlücke – überschreiten, freie Elektronen erzeugen. Solarzellen aus Silizium beispielsweise lassen einen Teil des infraroten Spektrums ungenutzt. Eine neue Art, Licht in elektrischen Strom zu verwandeln, macht nun aber auch Lichtwellenlängen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke nutzbar. Sie könnte daher in Solarzellen eingesetzt werden, damit diese das Sonnenspektrum effizienter ausnutzen [1].

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Ein Feld von Gold-Nanoantennen auf einer Siliziumunterlage | Hunderte von mikroskopischen Goldbarren mit Längen von etwa 150 Nanometern empfangen Infrarotlicht und wandeln seine Energie in so genannte Plasmonen. Diese wiederum erzeugen bei ihrem Zerfall Elektronen, die in das darunterliegende Silizium eindringen und als Strom nutzbar sind.
Allerdings ist die Effizienz der von Mark Knight und seinen Kollegen von der Rice University im texanischen Houston hergestellten Lichtkonverter äußerst gering. Die Physiker haben dazu zwei Techniken miteinander kombiniert: Nanoantennen, die Lichtstrahlen einfangen, und Fotodioden, welche die eingefangene Lichtenergie schließlich in Strom verwandeln. Die Nanoantennen sind mikroskopische Goldbarren mit einer Kantenlänge von ungefähr 150 Nanometern. Hunderte dieser Antennchen haben sie auf eine Unterlage aus Silizium gepackt.

Die Nanoantennen verwandeln auftreffendes Infrarotlicht in so genannte Plasmonen, kollektive Schwingungen von Elektronen an der Oberfläche des Golds. Die Plasmonen geben ihre Energie an Elektronen in Goldatomen weiter, wodurch diese freigesetzt werden. Zwischen dem Gold und dem Silizium liegt, wie bei einer Fotodiode, eine Energiebarriere. Diese ist kleiner als die Bandlücke des Siliziums, so dass die freigesetzten Elektronen über genügend Energie verfügen, um ins Silizium zu gelangen. Die dadurch erreichte Ladungstrennung kann als Energiequelle genutzt werden.

Die Wellenlängen, die von den Nanoantennen geschluckt werden, lassen sich durch deren Länge steuern, schreiben die Autoren. Sie könnten daher so gestaltet werden, dass sie einen weiten Bereich des Sonnenspektrums abdecken, kommentiert Martin Moskovits von der University of California [2]. Sie böten daher ähnliche Möglichkeiten wie die so genannte Grätzel-Zelle, die Licht nicht mit einem Halbleitermaterial absorbiert, sondern dazu organische Farbstoffe wie etwa Chlorophyll einsetzt. Die Nanoantenne wäre im Gegensatz dazu nicht von empfindlichen organischen Materialien abhängig. (cm)

18. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18. KW 2011

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  • Quellen
[1] Science 10.1126/science.1203056, 2011
[2] Science 10.1126/science.1205312, 2011

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