Effizienzsprung durch NANOTECHNIK 06.10.2015, 15:38 Uhr

Chips mit Wald aus Nanoröhrchen wandeln Licht direkt in Strom um

Doppelt so effizient wie heutige Solarzellen bei einem Zehntel der Kosten: Das sind die Traumwerte neuartiger Antennen, mit denen US-Forscher direkt und ohne Umweg Gleichstrom erzeugen können. Wenn sich die Hoffnungen erfüllen, könnte das durchaus eine Revolution der Energieversorgung bedeuten.

US-Forscher haben einen Chip entwickelt, der Licht direkt in Strom umwandeln kann. Die Technik ist zwar nicht neu, doch die Forscher gehen davon aus, schon binnen eines Jahres einen Wirkungsgrad von 40 % zu erreichen.

US-Forscher haben einen Chip entwickelt, der Licht direkt in Strom umwandeln kann. Die Technik ist zwar nicht neu, doch die Forscher gehen davon aus, schon binnen eines Jahres einen Wirkungsgrad von 40 % zu erreichen.

Foto: Georgia Tech

Wenn Strom aus Licht erzeugt werden soll, braucht es immer einen Prozess der Umwandlung, letztlich aus Wärme zu elektrischer Energie. Das ist ein Umweg, der Effizienz kostet und zusätzliche Geräte wie Kühlungen und Generatoren notwendig macht. Was aber, wenn man diesen Umweg auslassen kann? Wenn man Strom direkt aus Licht erzeugen könnte?

Ein Wald aus Milliarden Nanoröhrchen

Dass das prinzipiell möglich ist, steht außer Frage, und auch die Grundlagen der Technik sind seit Jahrzehnten bekannt. Die rasante Entwicklung der Nanotechnologie bringt die Verwirklichung nun offenbar näher. Forscher am Georgia Institute of Technology jedenfalls haben mithilfe von Nanoröhrchen aus Kohlefasern eine Art Chip entwickelt, der aus einer Serie von „Rectennas“ besteht. Das sind Antennen, die jeweils direkt mit Dioden verbunden sind. Das Besondere: Strom kann nur in eine Richtung fließen. Jeder einzelne Chip erzeugt bei Lichteinfall ein wenig Strom, alle zusammen eine nennenswerte Menge.

Projektleiter Baratunde Cola hält sogar Wirkungsgrade von über 40 % für möglich. Derzeit wandelt der Chip weniger als 1 % des Lichtes in Strom um.

Projektleiter Baratunde Cola hält sogar Wirkungsgrade von über 40 % für möglich. Derzeit wandelt der Chip weniger als 1 % des Lichtes in Strom um.

Foto: Georgia Tech

Wenn der Wald aus Milliarden vertikal aufgereihten Nanoröhrchen von Licht getroffen wird, entstehen oszillierende Lichtwellen, die mit den Röhrchen interagieren. Deren Spitzen fungieren als eine Art Schalter, der im Femtosekunden-Takt an- und ausschaltet. Anders gesagt: Verdammt schnell. Eine Femtosekunde entspricht der Zeit, in der Licht weniger als ein Hundertstel Millimeter zurücklegen kann. Dieses Tempo erlaubt den Fluss von Elektronen, und so entsteht Strom.

Widerstand muss noch deutlich sinken

Die Effizienz der Technik liegt derzeit noch bei unter 1 %. Schon bei 1 % könne die Entwicklung eine revolutionäre Technik sein, sagt Projektleiter Baratunde Cola. Er hält aber sogar Wirkungsgrade von über 40 % für möglich.

Schematische Darstellung des Aufbaus und der Komponenten der neuen Chips, die direkt Licht in Strom umwandeln

Schematische Darstellung des Aufbaus und der Komponenten der neuen Chips, die direkt Licht in Strom umwandeln

Foto: Thomas Bougher/Georgia Tech

Dazu müsse vor allem der Widerstand in den Strukturen gesenkt werden. Das sei mit ein paar relativ einfachen Veränderungen im Produktionsprozess machbar, meint der Physiker. Cola hält eine wirtschaftlich tragfähige Version der Technik innerhalb eines Jahres für denkbar. Doppelt so effizient wie herkömmliche Solarzellen bei nur einem Zehntel der Kosten – so sieht die optimistische Prognose des Forschers aus.

Auch in Deutschland arbeiten Forscher intensiv an effizienteren Solarzellen. So arbeitet das Max Planck Institut für die Physik des Lichts (MLP) in Erlangen an Zellen mit mikroskopisch kleinen, nur zwei Mikrometer langen Trichter, die dicht an dicht ins Silizium-Substrat geätzt werden und dadurch die Lichtausbeute um 65 % erhöhen.

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