Optische Nanoantennen steigern die Effizienz von Solarzellen erheblich

Der Wirkungsgrad von Solarzellen ist dadurch begrenzt, dass die Zellen nicht das Licht des gesamten Spektrums nutzen können. Ein etablierter und als Standardtechnik bereits umgesetzter Ansatz zum Umgang mit diesem Problem sind die so genannten Tandem Solarzellen. Diese bestehen aus zwei Licht absorbierenden Schichten, die in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen arbeiten. Wellenlängenbereiche des Lichts, die von der oberen Schicht nicht absorbiert werden können, werden von der zweiten Schicht genutzt. Damit ist es beispielsweise möglich, sowohl die gelben als auch die blauen Anteile des Lichts zu nutzen. Das Verfahren hat jedoch seine Grenzen, da die langwelligen Anteile des Lichts nicht über genügend Energie verfügen, um von einer Solarzelle genutzt zu werden. Die Energie dieser Photonen reicht nicht aus, um frei bewegliche Elektronen und damit Strom zu erzeugen.

Aus zwei mach eins!

Der Physiker Toni Eichelkraut von der Universität Jena (www.uni-jena.de) hat erfolgreich demonstriert, dass auch dieses Licht mittels eines Vorgangs nutzbar gemacht werden kann, der als „Aufkonversion“ bezeichnet wird. Darum geht es: Normalerweise beeinflusst sich Licht nicht gegenseitig. Wenn beispielsweise die Lichtstrahlen zweier Taschenlampen gekreuzt werden, geschieht überhaupt nichts. Das Licht jeder Lampe bereitet sich genau so aus, als wäre die andere nicht vorhanden. Es gibt jedoch einige Materialien, innerhalb derer es zu Wechselwirkungen von Licht mit Licht kommt. Dazu gehört beispielsweise Erbium, das zu den Seltenen Erden zählt. Atome dieses Materials können zwei Photonen einfangen und dafür ein Photon mit doppelter Energie aussenden. Weil die Energie eines Photons direkt proportional zu seiner Frequenz ist, hat dieses Photon die doppelte Frequenz der beiden ursprünglichen Photonen, also die halbe Wellenlänge. Auf diese Weise wird Licht aus dem langwelligen Bereich des Spektrums in kurzwelliges Licht umgewandelt, das von der Solarzelle genutzt werden kann.

Nanoantennen steigern die Effektivität

Das Ganze funktioniert nur dann, wenn zwei Photonen quasi gleichzeitig auf ein Atom treffen. Das allerdings passiert statistisch sehr selten, weswegen die Aufkonversion zwar sehr interessant, aber leider auch sehr ineffektiv ist. Um den Prozess effektiver zu gestalten, hat der Jenaer Physiker sich eine Art von „Trichter für Licht“ einfallen lassen. Im Prinzip handelt es sich dabei um Satellitenschüsseln im mikroskopischen Format, die langwelliges Licht auf einer größeren Fläche einsammeln und auf einer kleinen Fläche bündeln. Die Intensität der Strahlung auf der kleinen Fläche wird dabei deutlich größer. Aufgrund der so erhöhten Zahl der Photonen ist deutlich wahrscheinlicher, dass es zu einer Aufkonversion zweier Photonen kommt. Nur unter diesen Bedingungen ist die damit verbundene Steigerung des Wirkungsgrades der Solarzelle groß genug, damit sich dieser Aufwand auch wirtschaftlich lohnt.

Bildquelle: Jan-Peter Kasper/FSU