TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (III)

Einen anderen Weg, Strom zu erzeugen, verfolgen Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Prof. Nicholas X. Fang zusammen mit ihren Kollegen der University of Illinois at Urbana−Champaign, der Zhejiang University und der Taiyuan University of Technology in China.

In einer Veröffentlichung vom Februar 2012 beschreiben sie die Schaffung eines Metamaterials, das eine effizientere Absorption eines breiten Spektrums von Licht verspricht als bisher und zu einer neuen Generation hocheffizienter Solarzellen, Glühbirnen sowie Geräten zur Erzeugung von Strom aus Wärme führen könnte – und zwar durch die Verlangsamung der Geschwindigkeit des Lichts.

Die faszinierenden Metamaterialien, die uns bereits bei den Funkwellen begegnet sind (s.o.), bilden eine neue Klasse von extrem dünnen, künstlichen Nanotech-Substanzen mit Eigenschaften, die völlig anders sind als alles in der natürlichen Welt. Weil sie vom Atom aus aufgebaut werden, können sie durch die Gestaltung funktionaler Materialien, die auf unkonventionelle Weise mit Licht interagieren, für jeden Zweck perfekt konstruiert werden.

Metamaterialien haben auch das Potential sehr billig zu sein. Sie sind extrem dünn, was Material und Kosten spart, und können außerdem leicht mittels Geräten hergestellt werden, wie sie in der herkömmlichen Photovoltaik-Zellfertigung bereits Standard sind.

Der neue Breitband-Dünnschicht-Infrarotabsorber verwendet ein Sägezahn-Muster keilförmiger Rippen aus anisotropem Metamaterial, deren Breite exakt darauf abgestimmt ist, Licht einer Vielzahl von Wellenlängen und Einfallswinkeln zu verlangsamen und zu erfassen. Das internationale Team ist damit in der Lage, das Licht auf ein Hundertstel seiner normalen Geschwindigkeit im Vakuum zu verlangsamen, was es viel einfacher macht, die Photonen im Inneren des Materials einzufangen. Die Metamaterial-Keile ernten die Photonen dabei in unterschiedlichen Tiefen, was mit der Art und Weise verglichen wird, wie unser Gehör Tonfrequenzen sortiert.

In einem weiten Bereich von Frequenzen wird bei senkrechtem Einfall ein Absorptionsvermögen von mehr als 95 % erreicht, während die volle Absorptionsbreite bei halbem Maximum etwa 86 % beträgt. Diese Eigenschaft wird auch über einen sehr weiten Bereich von Einfallswinkeln gut beibehalten. Dabei wird Licht mit kürzeren Wellenlängen an oberen Teilen der Sägezähne mit kleineren Breiten geerntet, während längerwelliges Licht am unteren Teil bei größeren Zahnbreiten eingefangen wird.

Da das Material sowohl ein sehr effizienter Absorber als auch Emitter von Photonen ist, könnte es zudem zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung von ganz bestimmten Wellenlängen, wie Mikrowellen und Terahertzfrequenzen, verwendet werden, ebenso wie als Wärmestrahler. Nach dem Beschreiben der anfänglichen Computersimulationen, arbeitet das Team nun an Laborexperimenten, um die Ergebnisse auch praktisch zu bestätigen, wobei es von den Regierungen Chinas und der USA finanziert wird.

Hinweis: Der Entwicklungsabteilung von IBM ist es bereits im Jahr 2005 gelungen, die Lichtgeschwindigkeit durch einen gleichmäßig perforierten Silizium-Baustein (Phontonic Crystal Waveguide) auf ein Dreihunderstel des normalen Tempos von 299.792.458 m/s zu reduzieren und kontrolliert zu steuern – mit der Absicht, in Zukunft ultrakompakte optische Schaltkreise zu entwickeln. Gut zehn Jahre später gelingt dann schon viel mehr:

Im Mai 2014 veröffentlicht ein Team britischer Physiker einen Forschungsbericht, dem zufolge es ihnen gelungen sei, Lichtwellen um den Faktor 15 Millionen zu verlangsamen und somit auf eine Geschwindigkeit von 20 m/s zu reduzieren. Die dramatische Verlangsamung der Lichtwellen bis fast zum Stillstand wird durch ein raffiniertes Zusammenspiel von zwei äußeren Platten aus Indiumzinnoxid mit einer innen liegenden Siliziumschicht von knapp 1/3 µm Stärke ermöglicht. Die einfallenden Lichtwellen werden in dem dreilagigen Material so oft vor und zurück reflektiert, daß sich ihre Geschwindigkeit drastisch reduziert.

Obwohl der Versuch bislang ausschließlich mit kurzen infraroten Laserpulsen funktioniert, wobei auch noch ein Großteil des Lichts verlorengeht, handelt es sich um eine physikalische Sensation, die große Hoffnungen auf ganz neue technische Anwendungsmöglichkeiten weckt. Neben der Verarbeitung weitaus größerer Datenmengen in kürzerer Zeit, wenn sich das Licht sozusagen festhalten läßt, um mehr Informationen aufzunehmen, sind auch in der Photovoltaik Effizienzsteigerungen bei Solarzellen durch abgebremstes Licht denkbar.

Um die Lichtausbeute zu erhöhen und den Lichtverlust entsprechend zu reduzieren suchen die Wissenschaftler nun nach geeigneteren Verstärkermedien.

Ein weiteres Team des MIT um die Professoren John D. Joannopoulos und Marin Soljačić veröffentlicht im Februar 2012 den Bericht über die Herstellung einer neuen Art photonischer Hochtemperatur-Kristalle, die eines Tages alles – vom Smartphone bis zum Raumschiff – antreiben könnten.

Die neuen zweidimensionalen Hochtemperatur-Materialien, bei denen Metalle wie Wolfram oder Tantal verwendet werden, können bei Temperaturen bis zu 1.200°C betrieben werden. Im Vergleich zu früheren Versuchen verbindet der neue Ansatz eine höhere Leistung mit einer einfacheren und robusteren Bauweise sowie der Möglichkeit einer kostengünstigen Großserienfertigung mit Standard-Mikrofabrikationstechniken.

Im Gegensatz zu natürlichen photonischen Kristallen – wie Opale, deren schillernden Farben aus einer geschichteten Struktur im Maßstab der Wellenlängen des sichtbaren Lichts resultieren –, umfaßt die aktuelle Arbeit ein nanotechnisch hergestelltes Material, das für den Infrarotbereich zugeschnitten ist. Alle photonischen Kristalle haben ein Gitter aus einer Materialart, das mit offenen Räumen oder mit einem komplementären Material durchsetzt ist, so daß selektiv bestimmten Wellenlängen des Lichts hindurch laufen, während andere absorbiert werden. Als Emitter verwendet, können ebenso selektiv bestimmte Wellenlängen ausgestrahlt, und andere stark unterdrückt werden.

Photonische Kristalle, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten, hätten eine ganze Reihe möglicher Anwendungen, einschließlich Geräten für solarthermische oder solarchemische Umwandlungen, Radioisotop-betriebene Geräte, brennstoffbetriebene Generatoren oder auch Komponenten, um Energie aus der Abwärme von Kraftwerken oder Industrieanlagen zu gewinnen. Um die Probleme der hohen Temperaturen bei der Herstellung solcher Materialien zu überwinden, wie Verdampfung, Diffusion, Korrosion, Risse, Schmelzen oder schnelle chemische Reaktionen der kristallinen Nanostrukturen, verwendet das MIT-Team ein rechnergestütztes Design, um aus hochreinem Wolfram eine Struktur mit spezieller Geometrie zu schaffen, welche die Schäden vermeidet, wenn das Material erhitzt wird.

Die NASA hat ein Interesse an der Forschung wegen des Potentials, für Deep-Space-Missionen, die sich nicht auf Solarenergie verlassen können, langfristig Leistung zur Verfügung zu stellen. Auf der Erde könnte das neue photonische Kristall-Design aber auch wichtige Anwendungen in solarthermischen Energieumwandlungssysteme finden. Ebenso machbar sind präzise abgestimmte Infrarot-Lichtemitter, die als sehr empfindliche chemische Detektoren und Sensoren verwendet werden könnten. Die ersten Produkte auf Basis dieser Technologie werden in zwei bis fünf Jahren erwartet.

Die Forschung wird zum Teil durch das Institute for Soldier Nanotechnologies (Army Research Office), der NASA, TeraGrid resources, dem MIT S3TEC Energy Research Frontier Center der U.S. Department of Energy sowie einem Zuschuß der MIT Energy Initiative unterstützt.

Ebenfalls am MIT arbeitet 2012 ein Team um Prof. Anantha Chandrakasan (ein Spezialist für Niedrigverbrauch-Mikrochips, der auch an den Forschungen beteiligt ist, Energie aus dem Innenohr zu gewinnen, s.u. Weitere Technologien) an neuen Chips, die gleichzeitig drei Quellen nutzen, um ihre Elektrizität zu beziehen: Wärme, Vibrationen und Sonnenlicht. Indem alle drei kombiniert werden, sollen die Chips sowohl autark als auch wesentlich leistungsfähiger als bisher werden, zudem kann Dank einer ,Dual-path’ Architektur überschüssige Energie in einer Batterie oder einem Superkondensator gespeichert werden.

Obwohl die Entwicklung vom Interconnect Focus Center finanziert wird, einem gemeinsamen Programm der Defense Advanced Research Projects Agency (DRAPA) und Unternehmen der Verteidigungs- und Halbleiterindustrie, ist bislang nicht bekannt, ob und wann die Chips auf den Markt kommen. Über die Nutzung von Wärme und Vibrationen berichte ich weiter unten noch ausführlich.

Eine laserbetriebene photovoltaische Zelle, die elektrische Energie für NanoBio-Geräte produzieren kann, welche unter der Haut implantiert sind, stellen Wissenschaftler der Donghua University in Schanghai im Juli 2012 vor.

Das Team um Zhigang Chen nutzt dabei einen 980 nm Laser mit einem Beleuchtungsbereich von 2 x 8 mm und einer sicheren Intensität von 720 mW cm², was etwas niedriger als die konservative Grenze für die Exposition menschlicher Haut liegt (726 mW cm²), sowie eine herkömmliche Farbstoff-Zelle, die mit einer Nanophosphor-Schicht (NaYF₄:Yb,Er) optimierte wurde. Damit wird eine maximale Ausgangsleistung von 44,5 µW erreicht, wobei die Energieumwandlungseffizienz aber nur 0,039 % beträgt.

Auch nachdem die Zelle mit einer 1 mm dicken Hühnerhaut als biologisches Gewebe abgedeckt wird, kann noch eine maximale Ausgangsleistung von 22,2 µW und ein Gesamtwirkungsgrad von 0,019 % erzielt werden – was aber ztotzdem ausreicht, um den Leistungsbedarf der in vivo Nanoroboter (mindestens 1 µW) und der Herzschrittmacher (etwa 10 µW) zu decken.

Im August 2012 veröffentlichen Wissenschaftler der französischen Université du Sud Toulon Var um Jean Christophe Valmalette zusammen mit Kollegen des Institut Sophia Agrobiotech sowie des Forschungsinstituts CIRAD UMR QualiSud in Montpellier eine Studie über den Licht-induzierten Elektronentransfer und die ATP-Synthese in einem Carotin synthetisierenden Insekt der Spezies Acyrthosiphon pisum, das auch als grüne Erbsenlaus oder Erbsenblattlaus bekannt ist (,Light- induced electron transfer and ATP synthesis in a carotene synthesizing insect’).

Darin berichten sie, daß die Erfassung von Lichtenergie in den Blattläusen zu einem photoinduzierten Elektronentransfer von angeregten Chromophoren zu Akzeptor-Molekülen führt. Dies erscheint als ein archaisches Photosynthesesystems, das aus photoemittierten Elektronen besteht, die letztlich in die mitochondriale Reduktionskraft geschleust werden, um ATP-Moleküle zu synthetisieren.

Im November 2013 folgt ein Bericht von Forschern der Columbia University um Chen Xu mit dem Titel ,Light-harvesting chlorophyll pigments enable mammalian mitochondria to capture photonic energy and produce ATP’, in welchem bestätigt wird, daß die Fähigkeit, das Sonnenlicht in biologische Energie in Form von ATP umzuwandeln, keinesfalls auf chlorophyllhaltige Chloroplasten in photosynthetischen Organismen beschränkt ist, wie bislang angenommen wurde.

Das Columbia-Team zeigt, daß auch Säugetier-Mitochondrien Licht erfassen und ATP synthetisieren können, wenn sie mit einem lichtaufnehmenden Metaboliten des Chlorophylls gemischt werden. Wird dieser Metabolit beispielsweise an einen Wurm der Gattung Caenorhabditis elegans verfüttert, führt dies zu einer Steigerung der ATP-Synthese bei Belichtung, zusammen mit einer Erhöhung der Lebensdauer.

In weiteren Untersuchungen wird nachgewiesen, daß das Potential, Licht in Energie umzuwandeln, ebenso bei Säugetieren vorhanden ist, da sich Chlorophyll-Metaboliten auch bei Mäusen, Ratten und Schweinen akkumulieren, wenn sie mit einer chlorophyllreichen Diät gefüttert werden. Die Wissenschaftler schließen daraus, daß auch Tiere durch den Verzehr von pflanzlichen Chlorophyll in der Lage sind, Energie direkt aus dem Sonnenlicht abzuleiten.

Im September 2012 berichtet ein Wissenschaftler-Team des MIT und der University of Pennsylvania um Prof. Harry Asada von der Entwicklung eines genetisch optimierten Muskelgewebes, das auf Licht reagiert.

Der dabei angewandte Prozeß der Optogenetik beinhaltet, lichtempfindliche Elemente anderer Tiere, in der Regel wirbellose, in Säugetierzellen einzuschleusen, wofür die Forscher Skelettmuskelgewebe verwenden, da es stärker als anderes Gewebe ist und sich unter äußeren Reizen biegt. Dies geschieht normalerweise durch Neuronen, die dafür eine winzige elektrische Ladung bereitstellen.

Die genetisch veränderten Muskelzellen, die das MIT-Team verwendet, werden mit einem lichtempfindlichen Protein dotiert, kultiviert und dann mit Hydrogel vermischt, um dreidimensionales Muskelgewebe zu bilden. Wird dieses 20-Millisekunden-Pulsen von blauem Licht ausgesetzt, verbiegen sich die Zellen sowohl individuell als auch kollektiv. Um die Stärke der Muskeln zu testen, werden sie an winzigen Pfosten angebracht um zu sehen, wie weit sie diese biegen – was Asda mit einem Ausbildungszentrum für das Gewebe vergleicht.

Es werden zwar keine Zahlen genannt, doch der Bericht betont, daß die Muskeln ein hohes Maß an Bewegung zeigen, so daß in einen begrenzten Raum von weniger als einen Kubikmillimeter zehn Freiheitsgrade passen, was gegenwärtig kein anderer Antrieb schafft. Die Wissenschaftler sehen dies als ersten Schritt in ihrem Plan, organische Roboter zu bauen, die sich so schnell und so anmutig wie ihre biologischen Äquivalente bewegen.

Prof. Wei Chen von der University of Texas at Arlington und sein Team, zu dem u.a. auch Prof. Long Que von der Louisiana Tech University gehört, publizieren im Oktober 2012 einen Bericht, in welchem sie die Entwicklung eines Hybrid-Nanomaterials beschreiben, das sowohl Licht als auch Wärme in Strom umwandeln kann.

Zwar werden einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (single-walled carbon nanotubes, SWNTs) bereits zur Konstruktion von transparenten Solarzellen sowie von Zellen verwendet, die ausschließlich aus Kohlenstoff bestehen (s.u. Nano-Solarzellen), doch verglichen mit anderen PV-Typen sind diese aber immer noch sehr ineffizient.

Als Lösung verfolgen Chen et. al. die Ergänzung des durch Licht erzeugten Stroms mit Elektrizität aus thermoelektrischen Komponenten. Das neue Material wird durch die Kombination von SWNTs und Kupfersulfid-Nanopartikeln synthetisiert, mit Oleylamin-Molekülen als Verbindung, und dann verwendet, um daraus den Prototyp eines thermoelektrischen Generators zu erstellen, der in der Lage sein sollte, einige Milliwatt Leistung zu erzeugen.

Im Vergleich zu SWNT-Dünnschicht-Systemen erhöht die neue Dünnschichtstruktur in den Laborversuchen die Lichtabsorption um bis zu 80 %, was sie zu einem effizienten Generator macht. Darüber hinaus ist Kupfersulfid viel billiger und leichter verfügbar als die Edelmetalle, die in ähnlichen Hybriden verwendet werden.

Die Laborversuche zeigen auch, daß der optische-thermische Schalteffekt bei Dünnschicht-Vorrichtungen mit dem hybriden Nanomaterial unter Verwendung einer asymmetrischen Beleuchtung und thermischer Strahlung, anstatt symmetrischer Beleuchtung alleine, um bis zu 10 mal verstärkt werden kann. Auch in diesem Fall soll die Kombination des Materials mit Mikrochips erfolgen, um selbstbetriebene Sensoren, elektronische Low-Power-Geräte und biomedizinische Implantate zu versorgen.

Im März 2013 berichten die Fachblogs über eine selbstbetriebene künstliche Netzhaut aus einem optoelektronischen Polymer, die von einem Team des Istituto Italiano di Tecnologia in Genua entwickelt wurde.

Die Forscher um Diego Ghezzi und Fabio Benfenati demonstrieren die zuverlässige Photoaktivierung von Neuronen, die auf einem mit dem Polymer Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) beschichteten Glasobjektträger kultiviert worden sind. Des Weiteren können die Wissenschaftler zeigen, daß die bio-organische Schnittstelle die Lichtempfindlichkeit von Explantaten (d.h. Transplantationen zu einer Kultur) von Ratten-Retinae mit lichtinduzierter Photorezeptordegeneration wieder herstellt.

Dies bedeutet, daß das Material verwendet werden kann, um eine künstliche Retina zu bilden, wobei die Besonderheit des P3HT-Polymers darin besteht, daß es keine externe Stromversorgung benötigt, sondern alleine durch das einfallende Licht funktioniert. Das das Polymer seine optischen Eigenschaften im Laufe der Zeit auch unter manchmal harten Bedingungen einer Gewebeumgebung beibehält, hatte das Team bereits in einer Veröffentlichung vom Januar 2011 gezeigt.

Nun können sie auch belegen, daß das Polymer gegenüber den Neuronen nicht toxisch ist, und – was noch wichtiger ist –, daß die Neuronen in einer Weise photoaktivierbar sind, die sie keinem unnötigen Streß aussetzt, wie es bei anderen Untersuchungen der Fall war, wo Neuronen auf nicht ideale Weise durch Infrarotlicht, d.h. Hitze, aktiviert wurden.

 

Forscher der Sungkyunkwan University und des Samsung Advanced Institute of Technology in Südkorea veröffentlichen im April 2013 den Bericht über die Entwicklung eines nur 300 nm großen Hybrid-Ernters, der neben dem Licht auch Vibrationen nutzbar macht, um eine konstante Leistung zu erzeugen.

Um das Sonnenlicht einzufangen, verwendet das Team Zellen aus Silizium-Nanosäulen, die für ihre hohe Absorptionsraten und geringe Reflexion bekannt sind und das Potential haben, in großen Mengen zu niedrigen Kosten produziert werden zu können. Die Oberseite jeder Zelle wird anschließend beschichtet, um darauf den piezoelektrischen Generator zu setzen. Die gesamte Vorrichtung wird auf der Außenseite von Elektroden sandwichartig eingefaßt.

Während der Tests wandelt der Generator Energie aus den Solarzellen mit einer Effizienz von 3,29 % um – und kann mit 100 dB Schall 0,8 V Strom liefern. Die Forscher sehen die Einsatzmöglichkeiten des Hybrid-Ernters daher bei bewegten Fahrzeugen und in bestimmte Umgebungen, in denen immer ausreichend Sonnenlicht verfügbar ist.

Im gleichen Monat geben die beiden israelischen Firmen Sol Chip Ltd. und Cellergy die Verfügbarkeit ihrer mit Sonnenenergie betriebenen Sol-Chip Energy Harvester bekannt, die durch ihre Kombination mit Superkondensatoren einen wartungsfreien Dauerbetrieb von IoT-Geräten, drahtlosen Nahbereichskommunikationssystemen und LED-Blinkleisten ermöglichen.

Ebenfalls im April 2013 startet das mit 223.778 € ausgestattete EU-Projekt MOLMOTDYN (Understanding the dynamics behind the photoisomerization of light-driven molecular rotary motors and switches), bei dem im Laufe der beiden Folgejahre das Verständnis der Dynamik vertieft werden soll, welche hinter der Photoisomerisierung von lichtgetriebenen molekularen Rotationsmotoren und Schalterm steht.

Insbesondere wollen die Forscher um Michael Filatov die Ausgangsleistung steigern, indem sie mehrere Molekularmotoreinheiten innerhalb eines einzelnen molekularen Bauelements kombinieren. Dabei nutzen sie computergestützte Instrumente, um die Atombewegungen zu simulieren und die Mechanik der lichtgetriebenen molekularen Funktionseinheiten zu modellieren. Dem Abschlußbericht zufolge gelingt es mit Hilfe dieser Informationen, Modelle für zwei neue Klassen lichtgetriebener molekularer Bauelemente mit verbesserter Quanteneffizienz zu entwickeln.

Deren Hauptneuerung besteht darin, die ineffiziente Art der Bewegung, wie sie für frühere Modelle typisch war, durch eine reine Rotation um eine Achse zu ersetzen. Zudem wird ein Mittel zum Screenen potentieller Moleküle geschaffen, die zur axialen Rotation innerhalb molekularlichtgetriebener Bauelemente geeignet sind.

Vorversuche im Labor mit Molekularmotoren, die auf Grundlage der theoretischen Modelle gebaut werden, bestätigen ihre Funktionsfähigkeit. Allerdings suchen die Forscher noch nach Möglichkeiten, um die Motoreinheiten auf geeigneten Substraten wie den Oberflächen leitender oder isolierender Materialien oder auch Biopolymersubstraten zu verankern.

Koordinator des Projekts ist die Universität Bonn, mitbeteiligt sind Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr, der italienischen Università di Siena, der französischen Aix-Marseille Université sowie der Bowling Green State University in Ohio.

Eine weitere Meldung vom April 2013 besagt, daß Prof. David Wendell und Vikram Kapoor von der University of Cincinnati einen Nano-Filter entwickelt haben, der wesentlich wirksamer als die derzeit verwendeten Filtertechnologien sein soll, die auf Aktivkohle basieren.

Die neue solarbetriebene Filtertechnologie, die in der Lage ist Antibiotika und gefährliche Karzinogene aus großen Gewässern zu filtern, beruht auf zwei bakteriellen Proteinen. Diese sind fähig, etwa 64 % der Antibiotika im Oberflächenwasser zu absorbieren – gegenüber den 40 %, die mit der gegenwärtigen Technologie erzielt werden. Zudem besteht auch die interessante Möglichkeit, die eingefangene Antibiotika einer Wiederverwendung zuzuführen.

Der Nano-Filter, dessen Durchmesser kleiner ist als ein menschliches Haar, wird durch ein Protein-Pumpe namens AcrB ermöglicht, die Wendell als einen „äußerst selektiven Müllschlucker der Bakterien“ bezeichnet. Bei der neuen Innovation wird das Entsorgungssystems allerdings umgedreht, sodaß Verbindungen in das Protein-Vesikel hinein, anstatt aus diesem hinaus gepumpt werden.

Was uns an dieser Stelle jedoch interessiert, ist die Methode den Pumpmechanismus anzutreiben, denn hierfür setzen die Forscher das lichtbetriebene Bakterienprotein Delta-Rhodopsin (dR) ein, das der AcrB die Pumpleistung liefert, um die Antibiotika zu bewegen. Als Folgeschritt soll das System nun zum selektiven Herausfiltern von Hormonen und Schwermetallen aus Oberflächengewässern weiterentwickelt werden.

Prof. Andrea Fratalocchi, der an der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) unterrichtet, veröffentlicht gemeinsam mit seiner Primalight group im Mai 2013 eine Arbeit über die Wellenausbreitung in komplexen Systemen, deren Anwendung in der Gewinnung von Energie liegt (Enhanced energy storage in chaotic optical resonators).

Die neue Technologie, Energie aus dem Chaos zu ernten, führt zur Entwicklung eines Material-Designs, das die Leistung der Breitband-Energieabsorption bestehender Systeme erhöht, was zum Beispiel zu einer neuen Generation von Solarzellen führen könnte. Neben Simulationen werden Experimente mit photonischen Kristall-Resonatoren sowie verformten Polystyrol-Mikrokügelchen durchgeführt.

Das Hauptmerkmal dieser Resonatoren basiert auf spezifischen Deformationsmustern. Die verformten Resonatoren sind derart aufgebaut, daß Licht völlig chaotisch und zeitlich nicht-reversibel wird, so wie die Brownsche Bewegung eines Teilchens in einer Flüssigkeit. Dies führt zu einer Zunahme der Entropie, die sich in einer kohärenten Dynamik manifestiert, welche sich im Inneren des Systems  aufbaut. Das Team beschreibt, wie chaotische Resonatoren sechs mal mehr Energie speichern können als herkömmliche Resonatoren.

Die in dem Papier entwickelte Theorie zeigt, daß die dramatische Energieerhöhung einem thermodynamischen Prinzip namens Energie-Gleichverteilung (energy equipartition) zu verdanken ist. Dabei soll das Ernten chaotischer Energie keine theoretische Effizienzgrenze haben. Ich muß gestehen, daß ich die Sache weder verstanden – noch erklärende Quellen gefunden habe. Über eine diesbezügliche Hilfestellung würde ich mich freuen.

Auch im August 2013 gibt es gleich mehrere Meldungen auf einmal. Die erste Nachricht betrifft Forscher in Großbritannien und Frankreich, die ein farbstoffbasiertes Molekül entwickeln, das den Lichtsammelkomplex in Pflanzen nachahmt und alle Wellenlängen des Lichts absorbieren kann. Dadurch ließen sich kleine, aber leistungsfähige Solarzellen herstellen, die auch bei schlechten Lichtverhältnissen und im Innenbereich gut arbeiten.

Eine wesentliche Einschränkung von Solarzellen ist, daß die meisten von ihnen hohe Lichtintensitäten erfordern, weil sie schwach im Festhalten von Elektronen sind. Außerdem geht ein Großteil der Energie durch ein Phänomen namens Photonen-Vernichtung verloren, bei welchem ein Überschuß an geernteten Photonen nicht in chemische Energie umgewandelt werden kann – und Photonen hoher Energie photochemische Reaktionen bilden und durchlaufen, welche die Vorrichtung verschlechtern.

Pflanzen umgehen dieses Problem, indem sie einen Lichternte- oder Antennenkomplex besitzen, der ein Gitter von Proteinen und Pigmentmolekülen einschließlich Chlorophyll umfaßt, das Photonen absorbiert und ihre Energie zu einem Reaktionszentrum leitet, um chemische Energie zu erzeugen.

Auf diese Weise können Pflanzen in schlechten ebenso wie in guten Lichtverhältnissen Lebensmittel erzeugen – und sich zudem vor der Photonen-Vernichtung schützen, indem sie die Energie in ihren Pigmenten lagern. Bei Versuchen, dieses natürliche Antennensystem in photovoltaischen Zellen unter Verwendung lichtempfindlicher Farbstoffe zu imitieren, erwies es sich als schwierig, die notwendigen Moleküle aufgrund ihrer Komplexität zu erzeugen und zu stabilisieren.

In ihrer neuen Arbeit beschreiben Anthony Harriman von der Newcastle University in Großbritannien, Raymond Ziessel von der Université de Strasbourg in Frankreich sowie ihre Kollegen, wie sie ein synthetisches lichtsammelndes Gitter entwickelt haben, wobei sie Bordipyrromethen-Farbstoff  (BODIPY) und Pyren verwenden, was den Photonenverlust zu verhindern scheint und die Bildung der hochenergetischen Zustände vermeidet, die typischerweise zu einem Abbau führen.

Das Gitter soll alle Wellenlängen sammeln und UV-Licht schnell in dunkelrotes Licht umwandeln, um reaktive Zwischenstufen zu vermeiden und die Photonen zur Solarzelle zu leiten. Hierfür entwickelt das Team ein trichterförmiges Molekül aus 21 Chromophoren (der Anteil eines Farbstoffs oder eines Pigments, der dessen Farbigkeit erst möglich macht).

Wenn Photonen an der Peripherie des Gitters aufgenommen werden, kaskadieren sie in Richtung eines sogenannten Akzeptors, wo sie allerdings gestaffelt bzw. schwankend ankommen, da sie sich zwischen den Chromophoren bewegen – und damit das Problem der Photonen-Vernichtung umgehen. Damit besteht die Chance, anspruchsvolle Netzwerke aufzubauen, welche die Photonen auf genau die Positionen lenken, wo sie benötigt werden. Harriman vergleicht dieses überlegene Photonenmanagement mit der Flugkontrolle in Flughäfen wie Heathrow.

Die zweite Meldung stammt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, wo Guozhen Shen gemeinsam mit Mitarbeitern des Wuhan National Laboratory for Optoelectronics kompakte, biegbare und selbstspeisende Photodetektoren aus Zinndioxid-Stoff entwickelt.

Hergestellt wird der Stoff, indem die Wissenschaftler Zinndioxid-Nanopartikel auf einer Kohlenstofftuch-Vorlage wachsen lassen, was in einem Webmuster angeordnete hohle Mikrotubuli aus Zinndioxid ergibt, das eine hohe Quantenausbeute im UV-Bereich besitzt.

Shens Team integriert einen Zinndioxid-Stoff-basierten UV-Photodetektor und eine Zinndioxid-Stoff-basierte Lithium-Ionen-Batterie in einem Gerät, um einen flexiblen Photodetektor mit Eigenversorgung zu bilden, der in jede passende Form gebracht werden kann. Die Leistung des Detektors sei vergleichbar mit herkömmlichen Vorrichtungen. Besonders wichtig ist jedoch, daß keine Änderung in der Leistung auftritt, wenn das Tuch gefaltet wird.

Ebenfalls im August 2013 berichten die Fachblogs über ein Projekt, das von dem Photosynthetic Antenna Research Center (PARC) an der Washington University in St. Louis organisiert wird und die Erfahrung von Wissenschaftlern der Northwestern University, der North Carolina State University, der Universität of California, Riverside und der University of Sheffield in Großbritannien vereinen soll.

Was in ihren Diagrammen wie ein Zuckerwerk aus selbst kräuselnden Bändern mit einigen Klunkern aussieht, die da und dort daran hängen, ist tatsächlich ein sorgfältig gestalteter Ring von Proteinen mit angebrachtem Pigmenten, der sich selbst zu einer Struktur montiert, die Sonnenlicht aufsaugt. Das Team bezeichnet ihn als Teststand oder Plattform für das Rapid Prototyping von lichtsammelnden Antennen-Strukturen, wie sie in Pflanzen und in Photosynthese betreibenden Bakterien gefunden werden, und welche den ersten Schritt bei der Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie machen.

Die Antennen bestehen aus einem Protein-Gerüst, das Pigmentmoleküle in idealen Positionen hält, um die Energie der Sonne einzufangen und zu übertragen. Die Anzahl und Vielfalt der Pigmentmoleküle bestimmt, wie viel von der Sonnenenergie die Antennen greifen und in eine Energiefalle werfen können.

Die Wissenschaftler beschreiben zwei Prototyp-Antennen, die sie auf ihren Teststand aufgebaut haben. Die eine basiert auf den synthetischen Farbstoffen Oregon Green und Rhodamine Red, während die andere das Oregon Green mit einer synthetischen Version des bakteriellen Pigments Bakteriochlorophyll kombiniert, das Licht im nahen Infrarot-Bereich des Spektrums absorbiert.

Es zeigt sich, daß beide Entwürfe mehr aus dem Spektrum der Sonne aufsaugen als die natürlichen Antennen in Purpurbakterien, die die Inspiration und einige Komponenten für den Teststand zur Verfügung gestellt haben. Zudem sind die Prototypen auch viel leichter zu montieren, als synthetische Antennen komplett neu zu machen.

 

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