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Beschichtete Nanoröhrchen aus Kohlenstoff wirken als optische Antennen für Sonnenlicht – Extrem schnelle Gleichrichterdiode koppelt elektrischen Strom aus
Nicht nur mit Solarzellen aus Halbleitern kann Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt werden. Eine Alternative entwickelten nun amerikanische Forscher mit einem Wald aus winzigen Kohlenstoffnanoröhrchen, in denen einfallende Lichtwellen oszillierende, elektrische Ladungen erzeugen konnten. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, wurde dies durch eine geschickte Kopplung einer optischen Antenne mit schnell schaltenden Gleichrichterdioden möglich. Noch ist der Wirkungsgrad zwar ausgesprochen gering, doch als empfindlicher Lichtsensor ließen sich diese Module dennoch bald einsetzen.
„Wir könnten Solarzellen entwickeln, die bei doppelter Effizienz nur noch ein Zehntel kosten würden im Vergleich zu heute verfügbaren Modulen“, sagt Baratunde Cola vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Mit Blick auf einen bisher realisierten Wirkungsgrad von weit unter einem Prozent mag dies verwegen klingen, doch aus physikalischen Gründen wäre es prinzipiell möglich. Denn wie Radioantennen Funkwellen sehr effizient aufnehmen können, könnten die winzigen optischen Antennen in Zukunft auch Lichtwellen ohne große Verluste absorbieren.
Für die ersten Versuche züchteten Cola und Kollegen zuerst einen Wald aus mehrwandigen, elektrisch leitfähigen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Von diesen nur zehn Nanometer dicken Röhrchen ließen sich bis zu zehn Milliarden parallel auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter anordnen. Mit einem speziellen Beschichtungsverfahren umhüllten die Forscher alle Röhrchen mit einer hauchdünnen Lage aus Aluminiumoxid, um sie voneinander elektrisch zu isolieren. Über die Spitzen der Nanoröhrchen dampften sie eine durchsichtige Schicht aus Kalzium und Aluminium auf.
Diese Struktur beleuchteten die Forscher wahlweise mit dem Licht verschiedener Laser oder mit künstlichem Sonnenlicht. Sichtbare und infrarote Lichtwellen wurden von den Nanoröhrchen wie bei einer Antenne eingefangen. Extrem schnelle Ladungsschwingungen in den Röhrchen waren die Folge. Danach wirkte der mehrschichtige Aufbau aus leitfähigen Röhrchen, Isolatorschicht aus Aluminiumoxid und Kalzium wie eine Gleichrichterdiode, die Elektronen nur in eine Richtung fließen ließ. Die Forscher konnten einen Stromfluss von bis zu zwei Ampere pro Quadratzentimeter bei einem Volt Spannung messen.
Das Besondere an diesem Prozess war die große Schnelligkeit der mit den Nanoantennen gekoppelten Gleichrichterdioden. Denn der Fluss der Elektronen musste dabei mehrere Billiarden Mal pro Sekunde geschaltet werden. Trotzdem konnte bisher nur ein winziger Bruchteil der Energie der Lichtwellen in elektrischen Strom umgewandelt werden. Doch mit Verbesserungen im Aufbau dieser Nanoantennen-Module erwarten Cola und Kollegen drastische Steigerungen. Erste Anwendungen könnten in hoch empfindlichen Lichtsensoren liegen. Ob dieses Antennenprinzip in ferner Zukunft zu einer Konkurrenz für Solarzellen auf Halbleiterbasis führen könnte, lässt sich heute noch nicht absehen.
