Lichternte auch nachts

Wissenschaftler desIdaho National Laboratorywollen mit Nanoantennen die Energie von infrarotem Licht, das konventionelle Solarzellen nicht nutzen, in elektrische Energie verwandeln. Dazu haben sie kleine rechteckige Antennen aus Gold, Kupfer oder Mangan in Kunststoff eingebettet und in einem theoretischen Modell berechnet, dass eine daraus hergestellte Zelle im Prinzip 92 Prozent der Energie des gewählten spektralen Bereichs absorbieren könnte.

Die Wissenschaftler zielen zunächst auf einen spektralen Bereich mit Wellenlängen zwischen sieben und 14 Mikrometern. Er sei interessant, da 19 Prozent der gesamten auf die Erde treffenden Sonnenenergie von Gasen in der Atmosphäre absorbiert und dann wieder in genau diesem Spektralbereich abgestrahlt würden. Dabei handelt es sich um Wärmestrahlung. Da Wärmestrahlung auch nachts von vielen Objekten abgegeben werde, könnten Solarzellen in diesem Spektralbereich sogar dann Strom produzieren, wenn die Sonne nicht scheint.

Doch was ist der Unterschied zwischen Antenne und Solarzelle? Letztere nutzt Mechanismen, die erst mit der Quantentheorie bekannt wurden: Die elektromagnetische Strahlung wird absorbiert, indem an Atome gebundene Elektronen die Energie aufnehmen, sich dadurch vom Atomrumpf lösen und sich zu einer Elektrode bewegen, wo sie als Photostrom abgegriffen werden. Ganz anders verläuft die Absorption in Antennen. Dort nutzt man aus, dass sich bei Licht, also elektromagnetischer Strahlung, immer ein elektrisches Feld ausbreitet. In Strukturen, die leiten und Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge der Strahlung haben, induzieren die elektrischen Felder entsprechend ihrer Frequenz einen elektrischen Strom, der – theoretisch – abgegriffen werden kann. Für die Wärmestrahlung müssen die Strukturen daher winzig sein.

Bisher haben die Forscher nur berechnet, wie hoch die Absorption des Lichtes durch die Nanoantennen in Kunststoff sein kann. Um ihren Modellen mehr Glaubwürdigkeit zu verleihen, haben sie ähnliche Antennen auf Silizium statt auf Kunststoff hergestellt und vermessen. Dort stimmen nach ihren Aussagen Vorhersage und Messung überein: 80 Prozent der Wärmestrahlung würden absorbiert. Um sie zu nutzen, muss man die Energie aber noch aus den Antennen auskoppeln und gleichrichten. Das dürfte den Forschern noch ziemlich viele Probleme bereiten.(MF)