Mit einem Kohlenstoffnanoröhrchen statt dem konventionellen Siliziumhalbleiter haben amerikanische Forscher erstmals die grundlegenden Bausteine einer Solarzelle völlig neuen Typs produziert. Die jetzt in „Science“ vorgestellte Photodiode besteht aus nur einem Nanoröhrchen, das Licht extrem effektiv in elektrischen Strom umwandelt und diesen noch verstärkt. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige hocheffiziente Solarzellen.
Den Anstoß für den Versuch, ein Nanoröhrchen als Basis einer Solarzelle einzusetzen, gaben frühere Studien, in denen Wissenschaftler bereits eine Diode aus einem einwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen erzeugt hatten. Diese war im Prinzip ein einfacher Transistor, der Strom nur in einer Richtung durchlässt. Wissenschaftler der amerikanischen Cornell Universität unter Leitung von Paul McEuen und Jiwoong Park fragten sich nun, was wohl passieren würde, wenn sie etwas Ähnliches bauten und es mit Licht bestrahlten.
Nanoröhrchen mit Laserstrahlen bombardiert
Für ihr Experiment nutzten die Wissenschaftler ebenfalls ein einwandiges Kohlenstoffnanoröhrchen, im Prinzip nichts anderes als eine aufgerollte Graphenschicht etwa von der Größe eines DNA-Moleküls. Das Röhrchen spannten sie zwischen zwei elektrische Kontakte und verbanden damit zwei elektrische Pole, einen positiven und einen negativen. Dann richteten sie Laserstrahlen verschiedener Farbtemperatur auf das Nanoröhrchen und maßen, wie viel elektrischer Strom erzeugt wurde.
Vermehrung der Elektronen
Es zeigte sich, dass das Nanoröhrchen deutlich mehr Strom fließen ließ, als erwartet. Dabei wirkte eine höhere eingestrahlte Energie in Form von Photonen sogar multiplizierend auf die Menge der fließenden Elektronen. Weitere Untersuchungen enthüllten auch, warum: Wegen der engen zylindrischen Struktur des Nanoröhrchens konnten sich die Elektronen nur einzeln hindurch quetschen. Dabei wurden sie angeregt und lösten weitere Elektronen aus der Struktur, die den Fluss und damit den Strom verstärkten.
Effektive Verwertung der Lichtenergie
Nach Ansicht der Forscher würden solche Nanoröhrchen eine fast ideale photovoltaische Zelle darstellen, weil sie allein durch den Einfluss des Lichts Elektronen quasi „vermehren“. Im Gegensatz zu konventionellen Solarzellen würden diese Nanozellen keine Restenergie in Form von Wärme verlieren. Teure Kühlung und geringe Effektivität wären damit kein Problem mehr.
„Wir haben hier nicht nur ein neues Material, wir haben es auch bereits in einer Anwendung eingesetzt – einer echten Solarzelle“, erklärt Nathan Gabor, Hauptautor der Studie.
Allerdings weist er darauf hin, dass sie zwar eine Solarzelle im Kleinstmaßstab hergestellt haben, es aber noch einiges an Arbeit erfordert, daraus eine echte, in größerem Maße wirtschaftlich nutzbare Anlage zu konstruieren. „Was wir hier beobachteten haben, ist aber, dass die Physik dafür vorhanden ist“, so Gabor.
(Cornell University, 11.09.2009 – NPO)
