Forschern aus Japan ist es gelungen, infrarotes Licht für Photovoltaikanlagen nutzbar zu machen. Sogenannte Kohlenstoff-Nanoröhren verstärken die Solarenergie, indem sie eintreffendes Licht verstärken.
Ein japanisches Forscherteam hat eine Methode entdeckt, mit der Kohlenstoff-Nanoröhrchen Licht in einer besonders nützlichen Form umwandeln können. Der Hintergrund: Die sogenannte Upconversion-Photolumineszenz, ein physikalischer Effekt, bei dem niedrig-energetisches Licht wie Infrarotlicht in höher-energetisches Licht umgewandelt wird.
Kohlenstoff-Röhren können Solarenergie dabei dadurch verbessern, indem sie Licht, das bisher ungenutzt blieb, in verwertbares Licht umwandeln. Das erhöht die Effizienz von Solarzellen, die bislang kaum infrarotes Licht nutzen. Bisher gingen Forscher davon aus, dass dieser Effekt nur bei Materialien mit gezielt eingebauten Defekten funktioniert.
Das Team um Yuichiro K. Kato vom RIKEN-Zentrum in Japan zeigte jedoch, dass dieser Effekt auch in perfekten (defekt-freien) Kohlenstoff-Nanoröhrchen auftritt. Und zwar durch ein natürliches Zusammenspiel von Lichtteilchen (Photonen), Elektronenpaaren (Exzitonen) und Gitterschwingungen (Phononen).
Kohlenstoff-Nanoröhren verbessern Solarenergie
Ein Photon mit niedriger Energie regt während dieses Prozesses ein Elektron im Nanoröhrchen an. Dieses gelangt zunächst in einen Zwischenzustand. Durch die Kopplung mit einem Phonon, also einer Gitterschwingung, erhält das Elektron zusätzliche Energie. Erst dann springt es in einen hochenergetischen Zustand und gibt ein Photon mit höherer Energie ab.
Innerhalb der Nanoröhrchen entsteht dadurch ein Energieaustauschprozess, der auf quantenphysikalischen Effekten basiert. Die Forscher konnten nachweisen, dass dieser Mechanismus auch bei Raumtemperatur effizient abläuft.
Besonders bemerkenswert: Der Effekt soll bei mehr als elf verschiedenen Nanoröhrchen-Konfigurationen aufgetreten sein. Das legt nahe, dass Kohlenstoff-Röhren die Solarenergie auf breiter Basis unterstützen könnten.
Warum ist das für Solarzellen wichtig?
Viele herkömmliche Solarzellen, insbesondere solche auf Siliziumbasis, können infrarotes Licht nicht effektiv verwerten. Dieses macht jedoch etwa ein Drittel des Sonnenlichts aus. Wenn es sich durch den Prozess in sichtbares Licht umwandeln lässt, erhöht sich die Effizienz der Zellen deutlich. Das zeigt: Kohlenstoff-Röhren können die Solarenergie verbessern. Sie ermöglichen es, bisher verlorenes Licht nutzbar zu machen.
Langfristig könnten solche Nanomaterialien als Zusatzschicht auf bestehenden Solarzellen zum Einsatz kommen. Auch in anderen Bereichen wie der Sensorik oder medizinischer Bildgebung könnten die Eigenschaften der Nanoröhrchen neue Anwendungen ermöglichen. Die Entdeckung bleibt zwar vorerst Teil der Grundlagenforschung, doch ein Schritt in die Praxis erscheint realistisch.
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