Wissen : Mikroskopische Goldbarren verwandeln Licht in Strom

Lichtfänger. Winzige Antennen aus Gold auf einer Siliziumschicht. Foto: Science
Lichtfänger. Winzige Antennen aus Gold auf einer Siliziumschicht. Foto: Science

Heutige Solarzellen schlucken nicht jeden Sonnenstrahl, der es durch die Atmosphäre der Erde schafft und auf sie trifft. Ein Teil des Sonnenlichtes produziert keinen Strom. Nur Lichtwellenlängen, deren Energie eine bestimmte Schwelle – die sogenannte Bandlücke, die für jedes Halbleitermaterial unterschiedlich ist – überschreitet, erzeugen freie Elektronen und damit elektrischen Strom. Solarzellen aus Silizium beispielsweise lassen einen Teil des infraroten Spektrums ungenutzt. Eine neue Art, Licht in elektrischen Strom zu verwandeln, nutzt auch Lichtwellenlängen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke und könnte das Sonnenspektrum effizienter ausnutzen. Ein entsprechendes Verfahren stellt jetzt ein Team um Mark Knight von der Rice-Universität in Houston im Fachjournal „Science“ vor.

Die Physiker haben zwei Techniken miteinander verschmolzen: Sogenannte Nanoantennen, die Lichtstrahlen einfangen und Photodioden, welche die eingefangene Lichtenergie in Strom verwandeln. Die Nanoantennen sind winzige Goldbarren mit einer Kantenlänge von rund 150 Nanometern (Millionstel Millimeter). Hunderte dieser Antennchen haben die Wissenschaftler auf eine Unterlage aus Silizium gepackt.

Die Nanoantennen verwandeln auftreffendes Infrarotlicht in „Plasmonen“, das sind kollektive Schwingungen von Elektronen an der Oberfläche des Goldes. Die Plasmonen geben ihre Energie an Elektronen in Goldatomen weiter, wodurch diese freigesetzt werden. Die Elektronen „wandern“ dann in das benachbarte Silizium. Die dadurch erreichte Ladungstrennung kann, wie bei einer Photodiode, als Energiequelle genutzt werden.

Die Wellenlängen, die von den Nanoantennen geschluckt werden, lassen sich durch deren Größe steuern, schreiben die Autoren. Sie könnten daher so gestaltet werden, dass sie einen großen Teil des Sonnenlichts aufnehmen können. crm

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