TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (I)

Die Umwandlung von Licht in Elektrizität erfolgt hauptsächlich mittels der inzwischen gut bekannten Photovoltaik, die ich in einem eigenen Kapitelteil umfassend darstelle. Dabei handelt es sich zumeist um Technologien, die ausschließlich das sichtbare Lichtspektrum nutzen, wobei sich die effektive Umwandlung oftmals auf nur wenige, genau bestimmte Frequenzen beschränkt.

Hier soll es dagegen um Systeme gehen, die im Bereich des Micro Energy Harvesting zum Einsatz kommen und dabei ein weitaus breiteres Spektrum elektromagnetischer Wellen nutzen. In einigen Fällen gibt es allerdings Überschneidungen.

Nicht vergessen werden darf der photoakustische Effekt (PAE), der auch optoakustischer Effekt genannt wird und die Umwandlung von Lichtenergie in akustische Energie (Schall) bezeichnet. Erstmals beschrieben wird dieser physikalische Effekt von Alexander Graham Bell im Jahr 1880, doch schon kurz darauf veröffentlichen auch andere namhafte Wissenschaftler wie Rayleigh, Röntgen und Tyndall Arbeiten dazu.

Der photoakustische Effekt, der u.a. bei der photoakustischen Spektroskopie und der photoakustischen Tomographie zur Untersuchung von Gasen, Festkörpern und Geweben eingesetzt wird, basiert darauf, daß ein Ausbreitungsmedium, das mit Licht bestrahlt wird, einen Teil der Lichtenergie absorbiert und in Wärmeenergie umwandelt. Durch die Wärmeleitung verteilt sich die Energie im Medium und führt zu einer minimal erhöhten Temperatur im Medium – und damit zur Volumenvergrößerung bzw. Dichteabnahme.

Wird das Medium nun mit einer Folge von Lichtblitzen bestrahlt, kommt es zu einer periodischen Erwärmung und Abkühlung, wobei dieser ständige Wechsel von Volumenausdehnung und -verringerung eine Schallquelle darstellt. Über praktische Umsetzungen zur Energiegewinnung habe ich bislang aber nichts finden können.

Bereits 1999 gelingt einem Forschungsteam um Prof. Bernard Lucas Feringa von der Universität Groningen und Nagatoshi Koumura von der japanischen Tohoku University die Entwicklung eines lichtgetriebenen molekularen Motors, der als großer Durchbruch in der Nanotechnologie betrachtet wird. Ihr Molekularmotor beschreibt eine monodirektionale, sich wiederholende Rotation um eine zentrale Kohlenstoff/Kohlenstoff-Doppelbindung (C=C), welche durch UV-Licht oder eine Änderung in der Temperatur des Systems aktiviert wird.

Ein wichtiger Fortschritt ist im Jahr 2005 der Übergang von Lösungen zu festen Oberflächen über die Selbstorganisation von Monoschichten molekularer Motoren auf Gold, sowie die Demonstration, daß unidirektionale Drehungen auch auf einer Oberfläche durchgeführt werden können.

Im März 2006 berichten die niederländischen Forscher, die nun auch mit Kollegen der TU Eindhoven und der Forschungsabteilung von Philips zusammenarbeiten, daß sie einen winzigen Motor entwickelt haben, der mit Hilfe von Licht und Wärme zehntausendfach größere Objekte drehen kann. Bei dem hantelförmigen Molekül, das in einen Flüssigkristallfilm eingebettet ist, fungiert der untere Molekülteil als Stator, der obere als Rotor des Motors.

Bestrahlt mit Licht einer Wellenlänge von 365 nm, wechselt die Verdrehung des Moleküls von rechtshändig zu linkshändig. Ohne Licht oder bei Erwärmung kehrt es zum Urzustand zurück. Mit einer Kombination von zwei photochemischen und einem thermischen Schritt erreichen die Forscher Umdrehungen von 360°. Durch Zusammenarbeit mehrerer Moleküle, die während der Beleuchtung mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 0,67 U/m und während der Erwärmung von 0,22 U/m rotieren, können die nanometergroßen Motorn ein aufgelegtes Glasstäbchen in Mikrometergröße bewegen.

Für die Entwicklung molekularer Schalter, des ,Feringa-Motors’ und dessen Anwendungen wird der Wissenschaftler mit zahlreichen internationalen Preisen geehrt und im Jahr 2008 von der Königin der Niederlande sogar zum Ritter geschlagen.

Die Entdeckungen führen 2009 zur erfolgreichen Konstruktion einer zweiten Generation von molekularen Motoren, bei denen die Rotationsgeschwindigkeit dramatisch erhöht werden kann. Im November 2011 wird über ein Molekular-Auto (o. Nano-Auto) berichtet, das aus vier Stück der Motoren besteht und auf einer Kupferoberfläche durch elektrische Impulse angetrieben wird.

Ein solches Nanocar – allerdings ohne Lichtantrieb – war erstmals im Jahr 2005 an der Rice University von einer Gruppe um Prof. James Mitchell Tour entwickelt worden, als 3 x 4 nm große Anordnung von Atomen, die als Fahrzeug angeordnet sind. Hier war das Chassis aus Kohlenstoff-Atomen in einer H-Form angeordnet, sodaß zwei Achsen und eine Verbindung zwischen diesen entsteht, wobei an den Enden der Achsen Fullerene des Kohlenstoff-Atoms C60 als Räder angebracht werden. Das Rollen kann dadurch nachgewiesen werden, daß sich das Fahrzeug in der Längsrichtung leichter bewegen läßt als quer zu den Rädern. Hierzu wird es auf eine auf 200 °C erhitzte hochreine Goldoberfläche gebracht, wodurch sich die elektrischen Bindungskräfte verringern, die sonst ein Rollen verhindern.

Im Oktober 2016 gibt es für den Entwurf und die Herstellung der molekularen Maschinen zudem noch den Nobelpreis für Chemie, den sich Feringa mit seinen beiden Kollegen Jean-Pierre Sauvage an der Universität von Straßburg sowie Fraser Stoddart von der Northwestern University teilt.

Der Franzose Sauvage hatte bereits 1983 eine molekulare Kette aus ineinandergeschobenen Ringen (Catenane) konstruiert und einen einfacheren Syntheseweg dafür gefunden. 1994 gelingt es seiner Arbeitsgruppe, einen der Ringe durch Energiezufuhr kreisen zu lassen. Der Brite Stoddart wiederum stellte mit seinem Team eine ähnliche molekulare Maschine her, bei der eine Ringstruktur auf eine langgezogene Achse gesetzt wird (Rotaxane). Hier springt der Ring auf der Achse zwischen zwei Andockstellen hin und her, wenn dem Molekül Energie in Form von Wärme zugeführt wird. Daraus wird später ein molekularer Fahrstuhl konstruiert, der sich um 0,7 nm hebt.

Doch auch anderswo wird an molekularen Motoren gearbeitet. Luis Moroder und Dieter Oesterhelt vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried berichten im Oktober 2002, daß ihnen gelungen ist, das künstlich hergestellte Molekül Azobenzol durch Bestrahlen mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge dazu zu bringen, abwechselnd zu schrumpfen oder sich zu strecken. Auf diese Weise wandelt das Azobenzol-Polymer im zyklischen Betrieb wie ein kleiner Motor den Treibstoff Licht in mechanische Arbeit um.

Die Wissenschaftler hatten schon vor einiger Zeit erfolgreich Azobenzol-Moleküle zu langen fadenförmigen ,Polymeren’ verknüpft, in denen die photoaktiven Einheiten wie Perlen auf einer Schnur aneinandergereiht sind. Ein solches Polymer kann ebenfalls reversibel zwischen einer langen Poly-trans- und einer kurzen Poly-cis-Form hin- und hergeschaltet werden – und zwar selektiv je nach Wellenlänge des Anregungslichts.

Auch wenn es bisher noch nicht möglich war, die mechanische Leistung eines einzelnen Moleküls für einen Motor auszunutzen oder auch nur die beim Verkürzen verrichtete Arbeit zu messen oder zu speichern, kann nun zumindest demonstriert werden, daß eine opto-mechanische Energieumwandlung prinzipiell mit sehr hoher Effizienz möglich ist – wo ein einzelnes Molekül eine Blattfeder bewegt, die mit der Lupe noch erkennbar ist.

Einem Bericht vom Juli 2003 zufolge legt eine Arbeitsgruppe von der japanischen Tohoku University um Yuichi Fujimura die theoretischen Grundlagen für molekulare Motoren, die durch Licht angetrieben werden, wobei sie mittels quantenmechanischer und klassisch-mechanischer Betrachtungen durchzurechnen versuchen, wie ein solcher molekularer Motor funktionieren kann.

Die Forscher konstruieren zudem einen Motor, der aus einem Kohlenstoff-Fünfring mit zwei Doppelbindungen als Grundkörper besteht. An der Spitze des Fünfecks befindet sich eine Aldehyd-Gruppe (ein Kohlenstoffatom mit einem Wasserstoff- und einem per Doppelbindung gebundenem Sauerstoffatom) als asymmetrisches Rotorblatt, das in einem 60° Winkel aus der Ebene des Fünfecks herausragt und frei drehbar ist. Um eine kontrollierte Rotation des Rotors zu gewährleisten sind an den beiden ,Schultern’ des Fünfecks zwei verschiedene ,Dämpfer’ gebunden ein Chloratom und eine Methylgruppe.

Um den Propeller in Rotation zu versetzen, wird als äußere Kraft das elektromagnetische Feld einer Lichtwelle angelegt – im vorliegenden Fall ein Laserpuls, durch den ein einheitliches elektromagnetisches Wechselfeld mit sehr hoher Energie entsteht. Der Grund dafür ist, daß sich Laserlicht durch seine Kohärenz auszeichnet, bei der alle Lichtteilchen mit derselben Amplitude schwingen und genau in Phase sind.

Die elektromagnetischen Kräfte des Laserpulses schubsen das Rotorblatt an, wobei der Rotor allerdings in jeder Drehrichtung aufgrund von Abstoßungskräften durch die Dämpfer vor einer Barriere steht, weshalb er in der Startphase zunächst erst einmal nur hin und her pendelt. Wird die Pendelbewegung stärker, gelingt es dem Rotor die Energiebarriere des etwas schwächeren Dämpfers, der Methylgruppe, zu überwinden und ins immer schnellere Rotieren zu kommen, bis er eine konstante Geschwindigkeit erreicht.

Die Drehrichtung des Propellers hängt von der Lage der beiden Dämpfer ab: Der molekulare Motor kann als Bild oder als Spiegelbild aufgebaut sein, wodurch rechts und links herum drehende Propeller möglich sind. Weitere Eigenschaften des Motors, etwa das Drehmoment, können über die Größen des Laserpulses wie Frequenz, Dauer, Form und Intensität, gesteuert werden.

In einem Vortrag, den er im Juli 2003 an der Universität Leipzig hält, berichtet Prof. Jörn Manz von der FU Berlin über die theoretische Analyse und Kontrolle chemischer Reaktionen zum Design lichtgetriebener molekularer Motoren. Um diese mit den gewünschten Eigenschaften zu entwerfen, ist es notwendig ihre Funktionsweise zu verstehen - sie also entweder zu beobachten oder ihre Mechanismen vorherzusagen.

Besonders ersteres ist aber ausgesprochenen schwierig, da die molekularen Motoren innerhalb von Femtosekunden arbeiten (1 fs = 0,000.000.000.000.001 s) und sich mit herkömmlichen Methoden daher nicht filmen lassen. Dies gelingt erst mit Hilfe der sogenannten Femtosekunden-Chemie, für die Ahmed H. Zewail im Jahr 1999 den Chemienobelpreis erhielt.

Dabei lassen sich chemische Reaktionen mit Hilfe ultrakurzer Laserpulse in Echtzeit beobachten und kontrollieren. Manz veranschaulicht den Weg von der Analyse über die Kontrolle solcher Laserpuls-getriebener Reaktionen bis hin zum Design eines molekularen Motors und zeigt, wie solche Experimente mit Hilfe quantentheoretischer Verfahren aufgeklärt bzw. vorhergesagt werden können.

Der japanische Wissenschaftler Takanori Fukushima arbeitet mit seinen Kollegen von der University of Tokyo an der Elektrizitätsgewinnung mittels Nano-Kabeln. In einer Publikation vom Dezember 2006 beschreibt das Team die Methode, wie es mit diesen einige µm langen und 16 nm durchmessenden, selbstmontierenden Kabeln das Licht zum Betrieb winzigster Nano-Roboter nutzt. Im Grunde ähnelt das System den lichtnutzenden Antennen einiger Bakterienstämme, während die Umwandlung selbst dem Effekt von Solarzellen-Halbleitern entspricht – allerdings in einem wesentlich kleineren Maßstab.

Um die lichtumwandelnden Nanostrukturen herzustellen entwickeln die Wissenschaftler einen Verbundwerkstoff aus Hexabenzocoronen (HBC), zwei Kohlenstoff-12 Ketten sowie Trinitrofluorenonen (TNF). Das Kompositmaterial wird in eine Lösung aus Tetrahydrofuran eingebracht und mit Methandampf-Blasen dazu angeregt, sich selbständig zu hohlen Kabeln zu verbinden. Das HBC, das die Elektronen abgibt, sobald es von Licht berührt wird, bildet dabei die Innenseite der Kabelwandung, während das TNF, das die Elektronen anzieht, die Außenhülle umgibt.

Um die Effizienz zu steigern will Fukushima in Zukunft Kohlenstoff-60 Moleküle einsetzen (sogenannte Buckyballs), um aus der TNF-Schicht möglicherweise einen Supraleiter zu machen, der einen wesentlich höheren Stromfluß erlauben würde.

Direkt mit Bakterien, welche Licht in Strom umwandeln, beschäftigt sich Prof. Ed Delong vom MIT. Im März 2007 präsentiert er seine mit Seewasser-Mikroorganismen erzielten Ergebnisse, bei denen ein Teil der Gene dazu dient, aus Licht Energie zu erzeugen.

Im Gegensatz zu Cyanobakterien, die bei Lichteinfall den Effekt der Photosynthese nutzen um Zucker herzustellen (dazu mehr im Kapitel Methan und synthetische Kraftstoffe), setzen die nun untersuchten Bakterien ein Licht-aktivierendes Protein namens Proteorhodopsin ein, das den Proteinen in der Retina des menschlichen Auges ähnelt. Im Verbund mit einem Licht-sensitiven Molekül namens Retinal pumpt das Protein bei Lichteinfall positiv geladene Protonen durch die Zellmembran. Dadurch entsteht ein elektrischer Potentialunterschied, der als Energiequelle genutzt werden kann.

Die Forscher setzen den betreffenden DNA-Abschnitt in Escherichia coli Bakterien ein und stellen fest, daß dieser dort innerhalb der Zellmembran das gesamte notwendige System zur Energieerzeugung herstellt und zusammensetzt.

In einer bereits im Februar 2007 erfolgten Veröffentlichung eines Forscherteams um Jan Liphardt von der University of California, Berkeley, war schon beschrieben worden wie E. coli dahingehend modifiziert werden kann, daß es eine Proteorhodopsin-Pumpe ausbildet, die leicht zwischen verschiedenen Energiequellen hin und her schalten kann: Sobald das Bakterium von seiner üblichen Energiequelle abgeschnitten wird, nutzt es das einfallende Licht, um seine Flagellen-Motor zu betreiben, ein rotierendes Schwänzchen, das es dem Bakterium erlaubt sich schwimmend vorwärts zu bewegen. Ja stärker das Licht scheint, desto schneller dreht sich auch der Biomotor.

Im Januar 2008 berichtet Prof. Patrick Pinhero von der University of Missouri über Entwicklung eines neuen Materials, das in der Lage ist die Strahlungsenergie im mittleren Infrarotbereich zu absorbieren. Dabei handelt es sich um eine flexible Folie aus Kunststoff mit eingebetteten Nano-Antennen, die im Gegensatz zu sonnenabhängigen Solarzellen bei Tag und Nacht gleichermaßen funktionieren, wobei sie nachts die Wärmerückstrahlung der Erdoberfläche nutzen.

Die gemeinsam mit Steven Novack vom Idaho National Laboratory (INL) sowie der 1998 von ehemaligen Polaroid-Wissenschaftlern und -Ingenieuren gegründeten Firma MicroContinuum Inc. in Cambridge, Massachusetts, entwickelten Nano-Antennen sind winzige, quadratische goldene Spiralen aus leitfähigem Material, die auf eine speziell behandelte Form von Polyethylen gestempelt werden, um dadurch von Silizium-Wafern und starren Substraten wegzukommen.

Messungen an Prototypen zeigen, daß die einzelne Nano-Antenne, deren Durchmesser etwa 1/25 eines menschlichen Haares beträgt, mehr als 80 % der vorhandenen Energie in Strom umwandeln kann, darunter auch die Infrarotstrahlung. Ein kommerzielles Endprodukt könnte daher leicht einen Wirkungsgrad von rund 50 % erreichen und damit alle derzeitigen Laborrekordhalter überholen. Pro Quadratmeter könnten dann etwa 75 W erwirtschaftet werden. MicroContinuum arbeitet bereits an einem roll-to-roll Produktionsverfahren.

Das ebenfalls im Januar 2008 in Cambridge gegründete Startup Lightwave Power Inc., das die Hälfte seines Gründerteams mit MicroContinuum teilt und neuartige Solarenergie-Produkte auf der Grundlage von Nanoarrays sowie zweidimensionaler plasmonischer und photonischer Kristallgitter entwickeln und produzieren will, läßt sich im Juni von MicroContinuum ein entsprechendes roll-to-roll Verfahren lizenzieren (s.u. Nano-Solarzellen).

Das Unternehmen arbeitet an großen, flexiblen Folien aus Kunststoff und unedlen Metallen als Nanoantennen, die bestehenden Solarzellen zu geringen Kosten hinzugefügt werden und deren Effizienz auf bis zu 85 % steigern sollen.

Im Juli 2009 erhält Lightwave 450.000 $ vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) als Teil der Photovoltaic Technology Incubator Programms, bei dem die Herstellungskosten von Solarzellen auf weniger als 1 $/W gesenkt werden sollen. Danach hört man allerdings nichts mehr von der Firma.

Pinheiro und sein Team, zu dem zwischenzeitlich auch Prof. Garret Moddel von der University of Colorado gestoßen ist, sind dagegen weiterhin aktiv. Auch die Zusammenarbeit mit MicroContinuum wird weitergeführt. Im Mai 2011 geben sie bekannt, daß ihre flexible Solarfolie theoretisch sogar mehr als 90 % des verfügbaren Lichts erfassen kann – und daß erste Prototypen innerhalb der nächsten fünf Jahre erstellt werden sollen. Was stark nach Arbeitsplatzsicherung aussieht, wobei das Team vom U.S. Department of Energy und privaten Investoren finanziert wird.

Meldungen von 2014 zufolge beschäftigt sich MicroContinuum derweil mit einem ebenfalls geförderten Projekt, das darauf abzielt, durch nanoskalige Eigenschaften die Leistungsfähigkeit von OLED-Bauelementen zu erhöhen und die Herstellungskosten zu senken. Neues im Bereich des Micro Energy Harvesting scheint sich dagegen nicht getan zu haben.

Ein Team des Tokyo Institute of Technology um Prof. Tomiki Ikeda präsentiert nach fünfjähriger Forschung im Juni 2008 einen Plastik-Motor, der ausschließlich von Licht angetrieben wird. Ohne den Umweg über die Elektrizitätserzeugung wird die Lichtstrahlung direkt in mechanische Energie umgewandelt.

Dabei wird ein Band aus einem speziellen lichtempfindlichen Elastomer genutzt, dessen molekulare Struktur sich ausdehnt oder zusammenzieht, wenn sie beleuchtet wird - in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Lichts. Bei Ultraviolett-Licht zieht sich das Band zusammen, im sichtbaren Spektrum expandiert es wieder in seinen ursprünglichen Zustand.

Die Forscher können ein Paar Räder mit 10 mm und 3 mm Durchmesser zum Drehen bringen, indem sie Ultraviolett-Licht auf ein 0,08 mm dickes, Elastomer-beschichtetes Band richteten, das sich um diese Räder windet, wobei das UV-Licht das Band in der Nähe des kleinen Rades bescheint, während das Band in der Nähe des größeren Rades sichtbarem Licht ausgesetzt wird. Das 10 mm Rad erreicht dabei eine ‚Höchstgeschwindigkeit’ von einer Umdrehung pro Minute. Es läßt sich nichts darüber finden, daß die Arbeiten später fortgeführt worden sind.

Licht einzusetzen, nicht um etwas zu bewegen, sondern um es zur selbständigen ,Heilung’ zu veranlassen, ist das Ziel der Forschungen von Marek Urban und Biswajit Ghosh von der University of Southern Mississippi, über die im März 2009 berichtet wird. Die Wissenschaftler entwickeln hierfür einen Kunststoff aus Polyurethan und zwei weiteren Komponenten, OXE, das eine instabile chemische Struktur aufweist (ein viergliedriger Ring mit drei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom), die es anfällig macht, aufgeschlitzt zu werden, sowie CHI, das UV-empfindlich ist.

Wird das Polyurethan durch einen Kratzer beschädigt, öffnet sich die instabile Ringstruktur von OXE, um zwei reaktive Enden zu schaffen. Das UV-Licht kann dann CHI dazu veranlassen, mit den reaktiven Enden von OXE neue Verbindungen zu bilden und dadurch den Bruch im Polymer zu fixieren. Bei Test mit einer 120 W UV-Leuchtstofflampe, was nur ein wenig stärker ist als das natürliche Sonnenlicht, können Kratzer innerhalb von nur einer halben Stunde geheilt werden.

Im Juni 2009 stellt ein Team der University of Florida einen linearen molekularen Nanomotor vor, der Licht direkt in Bewegung umsetzt und mit nur einem einzigen DNA-Molekül hergestellt ist.

Der biokompatible Nanomotor produziert keinen Abfall, ist einfach zu montieren, hat nur wenige Teile und soll theoretisch effizienter sein als andere solarbetriebene Motoren. Bei der Herstellung wird ein designtes DNA-Molekül mit Azobenzol kombiniert, einem gelben oder orangefarbenen kristallinen Material (C₆H₅N:NC₆H₅), das auf Licht reagiert. Der Motor ist in seiner zusammengefalteten Form 2 - 5 nm lang und kann bis auf 10 - 12 nm expandieren.

Der unglaublich kleine Maßstab bedeutet allerdings, daß größere Anwendungen wie das Antreiben eines Fahrzeugs oder der Stromproduktion ungezählte Billionen von Nanomotoren erfordern würde, die alle exakt zusammenarbeiten. Auf dem Weg dahin arbeitet das Team an einer Methode, die Kräfte der molekularen Ebene zu einer kohärenten akkumulierten Kraft zu sammeln, die reale Arbeit leisten kann, wenn der Motor Sonnenlicht absorbiert.

Im Januar 2010 veröffentlichen Wissenschaftler um Prof. Dawn Bonnell an der University of Pennsylvania einen Bericht über die Umwandlung einer optischen Strahlung in elektrischen Strom mittels einer molekularen Schaltung. Das System, eine Anordnung von nanogroßen Goldmolekülen auf einem Glassubstrat, reagiert auf elektromagnetische Wellen, indem es Oberflächenplasmonen produziert, welche ihrerseits elektrischen Strom in die Moleküle induzieren.

Bei Minimierung des Raums zwischen den Nanopartikeln auf einen optimalen Abstand, verwenden Forscher optische Strahlung um leitende Elektronen (Plasmonen) anzuregen, auf der Oberfläche der Goldnanopartikel zu ‚reiten’ und das Licht auf die Stelle zu konzentrieren, an der die Moleküle miteinander verbunden sind. Sind die Nanopartikel optimal gekoppelt, wird zwischen den Partikeln ein hohes elektromagnetisches Feld aufgebaut und von den Gold-Nanopartikeln aufgenommen. Wenn dann auch die Größe, die Form und der Abstand der Partikel so optimiert sind, daß eine resonierende optische Antenne entsteht, kann die Effizienz der gegenwärtigen Stromproduktion in dem Molekül um bis zu 2.000 % erhöht werden.

Darüber hinaus zeigt das Team, daß die Größe der Photoleitfähigkeit der Plasmon-gekoppelten Nanopartikel unabhängig von den optischen Eigenschaften des Moleküles eingestellt werden kann. Sollte es möglich sein, die Effizienz des Systems ohne zusätzliche, unvorhergesehene Einschränkungen hochzuskalieren, könnte es den Forschern zufolge möglich sein, ein 1 Ampere/1 Volt-Labormodell mit dem Durchmesser eines menschlichen Haares und einer Länge von einem Zoll herzustellen.

Die Ergebnisse können zu besseren Schaltungen in Nanogröße führen, die sich durch Sonnenlicht mit Strom versorgen. Gefördert werden die Arbeiten von der National Science Foundation, dem U.S. Department of Energy, dem Nano/Bio Interface Center sowie der John and Maureen Hendricks Energy Fellowship.

Im September 2013 veröffentlichten die Forscher, die inzwischen auch mit Michael J. Therien von der Duke University sowie Marie F. Lagadec von der ETH Zürich zusammenarbeiten, den Bericht über ein Verfahren, das viel effizienter als die herkömmliche Photoleitfahigkeit ist und optoelektronische Bauelemente ebenso wie die Gewinnung von Energie aus Licht wesentlich verbessern könnte.

Die neue Arbeit basiert auf Plasmonen-Nanostrukturen, die in präzisen Größen aus Goldpartikeln und lichtempfindlichen Porphyrin-Molekülen hergestellt und in spezifischen Mustern angeordnet sind. Plasmonen bzw. eine kollektive Oszillation von Elektronen kann in diesen Systemen durch optische Strahlung erregt werden. Dabei wird ein elektrischer Strom induziert, der sich in einem Muster bewegen kann, welches durch die Größe und Anordnung der Goldpartikel sowie die elektrischen Eigenschaften der Umgebung bestimmt wird.

Da diese Materialien die Streuung von Licht verbessern können, haben sie das Potential, u.a. die Absorption in Solarzellen zu erhöhen. Um den Mechanismus des plasmoneninduzierten Stroms zu untersuchen, variieren die Forscher systematisch die verschiedenen Komponenten des plasmonischen Nanostruktur, verändern die Größe der Goldnanopartikel und der Porphyrin-Moleküle sowie den Abstand zwischen diesen Komponenten. Die Messungen zeigen eine 3- bis 10-fache Effizienzsteigerung im Vergleich zur herkömmlichen Lichtanregung, obwohl das System noch nicht einmal optimiert ist.

Im Februar 2010 stellt Prof. David Blaauw von der University of Michigan den bislang kleinsten Solar-Sensor der Welt vor, der mit nur geringem Licht, auch im Innenbereich, prinzipiell ewig halten könnte. Die Lebensdauer wird alleine von der des Akkus begrenzt.

Mit seinen Abmessungen von 2,5 x 3,5 x 1 mm und einem ARM-Cortex-M3-Prozessor verbraucht der Sensor durchschnittlich weniger als ein Milliardstel Watt. Das Minigerät, dessen Solarzelle 4 V liefert, soll sich aber auch ebenso leicht über Wärme oder Bewegung betreiben lassen.

Mit Unterstützung von Organisationen wie der National Science Foundation, der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem National Institute of Standards and Technology (NUST) und dem Focus Center Research Program soll der Sensor nun umgehend kommerzialisiert werden.

Über die Entwicklung einer Art ,Seidenpapier’, das eines Tages sowohl Geschosse stoppen, als auch Solarenergie ernten könnte, berichten die Fachblogs im April 2010. Ein Team um Prof. Brian A. Korgel an der University of Texas in Austin stellt aus den normalerweise harten und spröden Halbleiter-Materialien Germanium und Silizium Fasern her, die so stark wie das kugelsichere Kevlar sind.

Wie Papier aus Holzfasern, so werden auch die Germanium-Nanodrähte zusammengepreßt und zu einem flexiblen Material komprimiert, das die Konsistenz von Seidenpapier hat und nicht bricht, wenn es gebogen wird. Kevlar hält Kugeln auf, weil nicht nur die einzelnen Fasern stark sind, sondern ebenso die Bindungen zwischen den Fasern. Da es eine solche Bindung für Germanium-Nanodrähte aber noch nicht gibt, konzentrieren sich Korgel und seine Kollegen zunächst darauf, die Halbleiter-Eigenschaften des neuen Stoffes zu nutzen um Solarstrom zu erzeugen.

Germanium absorbiert sowohl sichtbares Licht als auch das unsichtbare Infrarotlicht, allerdings nicht so gut wie das weiter verbreitete Silizium, weshalb die Wissenschaftler auch ein ähnliches, gewebeartiges Material aus Silizium-Nanodrähten entwickeln. In ein weiches Hemd gewebt oder in harten Kunststoff eingebettet könnten die Nanodrähte Sensoren oder andere elektrische Geräte betreiben. Zudem sind die einzelnen Silizium-Nanodrähte etwa 35 % stärker als die Germanium-Nanodrähte und auch beständiger gegenüber Korrosion.

Korgel ist übrigens Mitbegründer der Firma Innovalight, die eine aufsprühbare Solarzellentechnologie entwickelt, die auf Nanopartikel-Tinten basiert (s.d.).

 

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