D. Lenz
Winzige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff haben als Wandler von Sonnenlicht in elektrischen Strom ein wesentlich größeres Potenzial als bisher angenommen. Zukünftig könnten die Kohlenstoff-Nanoröhrchen in optischen Sensoren oder in hocheffizienten Photovoltaikanlagen zu Einsatz kommen.
Würzburg (Deutschland). Seit Jahren wird an der Effizienz von der Umwandlung von Licht in elektrischen Strom geforscht. Die Forscher Prof. Tobias Hertel (Physikalische Chemie) und Prof. Vladimir Dyakonov (Experimentelle Physik) und ihre Kollegen von der Universität Würzburg verfolgen den Ansatz, mit Nanoröhrchen aus Kohlenstoff auch Licht von geringerer Energie, wie es beispielsweise in der Sonnenstrahlung vorhanden ist, möglichst effizient in elektrischen Strom zu verwandeln. Von dieser Technologie können ganze Photovoltaik-Kraftwerke, aber auch spezielle Sensoren profitieren.
Selbst moderne Silizium-Solarzellen schaffen es nicht, mehr als ein Viertel der Sonnenenergie in Strom zu verwandeln. Aus diesem Grund konzentriert sich die Wissenschaft auf alternative Materialien und Vorgehensweisen, wie beispielsweise auf Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Diese sind in etwa 1.000 Mal dünner als ein menschliches Haar und leiten elektrischen Strom sehr gut. Erste Versuche mit Solarzellen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen liegen bereits einige Jahren zurück und wiesen bisher einen Wirkungsgrad von etwa einem Prozent auf.
Wie das Fachjournal Nature Photonics berichtet, haben die Forscher erstmals mit einer aufwendigen spektoskopischen Technik die Elektronen in den Nanoröhrchen sichtbar machen können, welche sich – angeregt durch das Licht – im energetisch aufgeladenen Triplett-Zustand befinden.
Bisher hatte sich der Triplett-Zustand einer exakten Beschreibung entzogen. Durch das neuartige Messverfahren der Forscher ist nun bekannt, dass die Nanoröhrchen in dem Triplett-Zustand die Anregungsenergie etwa eine Million mal länger behalten als im Singulett-Zustand. Der Singulett-Zustand ist so kurzlebig, dass er fast die gesamte Energie als Wärme abgibt bevor sich diese in elektrischen Strom verwandeln lässt.
"Das bedeutet vielleicht, dass die Triplett-Zustände ein Schlüssel sind, um die Lichtenergie in Kohlenstoff-Nanoröhren besser ausnutzen zu können", erklärt Hertel. Das neue Verständnis über die lichtphysikalischen Prozesse in Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind ein Meilenstein und könnten völlig neue Türen öffnen, so die einheitliche Meinung der beteiligten Wissenschaftler.
Nachdem jetzt mehr über Elektronen im Triplett-Zustand bekannt ist, wollen die Forscher die Zusammenhänge genauer untersuchen.
"Wir haben gesehen, dass es eine ganze Familie von Triplett-Zuständen gibt", sagt Hertel. Aus diesem Grund wollen die Forscher im nächsten Schritt untersuchen, wie sich die einzelnen Triplett-Zustände von einander unterscheiden. Danach wollen sich die Forscher an die Arbeit machen und die Lebensdauer dieser Elektronen-Zustände exakter bestimmen und prüfen, wieso es zu unterschiedlichen Elektronen-Zuständen kommt.
Private Photovoltaikanlagen und Energiekonzerne, die bei Ihren Angeboten auf Ökostrom setzen, würden immens von effizienteren Solarzellen profitieren – und somit auch der Endverbraucher. Da Strom in den letzten Jahren immer teurer geworden ist, die Nachfrage nach ökologischem Strom ständig steigt und die Bundesregierung den Ausbau der erneuerbaren Energien weiter unterstützt, würde der Solarstrom weitere Pluspunkte zu anderen sauberen Stromalternativen sammeln – selbst bei einem nicht so sonnigen Standort wie Deutschland. Bis es soweit ist, werden aber vermutlich noch einige Jahre Forschungsarbeit nötig sein.
