Dass die Universität Stanford einem Forscher von Mitte 40 eine Professorenstelle anbietet, die unbefristet ist, passiert extrem selten. Im Fall des aus Eindhoven stammenden Mark Brongersma wollte man aber offenbar sicher gehen, dass der Physiker möglichst lange bleibt. Der Holländer nahm das Angebot an, ohne dass ihm die Ehre zu Kopf gestiegen wäre. Seine Studenten hätten oft viel bessere Ideen als er, räumt Mark Brongersma freimütig ein. Im Labor schrauben gerade drei davon an Linsen, Lasern und Spiegeln herum, die – hinter schwarzen Vorhängen vor Licht und Staub geschützt – mehrere große Tische einnehmen. Mark Brongersma zieht den Vorhang an einem der Tische ein Stück zur Seite. Das Gewirr aus optischen Bauteilen darauf verwenden die Forscher, um neuartige metallische Beschichtungen für Solarzellen zu testen
"Mit dieser Versuchsanordnung lenken wir verschiedenfarbiges Licht auf winzige Solarzellen, die hier vorne in einem Halter montiert sind. Auf dem Monitor dort sehen wir dann, wie viel Strom sie bei blauem, grünem oder rotem Licht liefern. So können wir die Leistung herkömmlicher Solarzellen mit jener von Zellen vergleichen, die wir zuvor mit winzigen metallischen Strukturen beschichtet haben."
Mark Brongersma will Solarzellen einen Effizienzkick verpassen, indem er ihre Oberfläche mit Zehntausendstel Millimeter messenden Partikeln aus Gold, Silber oder Aluminium beschichtet, die Licht förmlich ansaugen.
"Solche winzigen Metallteilchen können Licht konzentrieren - ganz ähnlich wie eine Radioantenne, die alle Funkwellen einfängt, die sie treffen. Die Radioantenne konzentriert die meterlangen Radiowellen in einem viel kleineren Radio. Analog dazu versuchen wir, Licht in einer Solarzelle zu konzentrieren, um so die Effizienz der Energieumwandlung zu steigern."
Elektromagnetische Wellen mit metallischen Strukturen einzufangen, ist bei Radar- und Mikrowellen ein alter Hut. Bei sichtbarem Licht, mit seiner millionenfach kleineren Wellenlänge, wurde es aber erst innerhalb der letzten paar Jahre überhaupt denkbar - dank Nanotechnologie.
"Das elektromagnetische Feld der einfallenden Lichtwelle rüttelt an den Elektronen in diesen metallischen Nanopartikeln. Es kommt zu periodischen Ladungsverschiebungen, die sich immer weiter aufschaukeln. Dabei entstehen Ströme, die ihrerseits wieder ein lokales elektromagnetisches Feld erzeugen. Und dieses Lichtfeld in unmittelbarer Nähe der Metallpartikel können wir nutzen, um die Absorption des Materials zu steigern."
Höhere Absorption bedeutet, dass mehr Licht in der aktiven Schicht der Solarzelle gefangen wird und dort Strom erzeugt. Bei den preiswerten Lichtwandlern aus amorphem Silizium oder Plastik lasse sich die Absorptionsrate um 40 bis 50 Prozent erhöhen, sagt Mark Brongersma. Bei den besten Solarzellen aus kristallinem Silizium sei in punkto Effizienzsteigerung zwar nicht mehr viel drin, dafür könnten die Nanostrukturen aus Stanford aber helfen, deren Herstellungskosten zu senken. Ein Halbleiterfilm, der Licht effizienter einfängt, muss weniger dick sein, um denselben Strom zu liefern.
"Wir experimentieren derzeit mit Nanopartikeln verschiedener Formen und Größen, um herauszufinden, welche Strukturen den größten Effekt haben. Angefangen haben wir mit winzigen Kugeln und Drähten. Mittlerweile entwerfen wir auch komplexe Metallstrukturen, die verschiedene Lichtfarben an unterschiedlichen Stellen einer Solarzelle konzentrieren."
Mark Brongersmas Vision: Eine simple Nano-Beschichtung, deren filigrane Strukturen den roten, grünen und blauen Anteil des Sonnenspektrums auf Energiewandler lenken, die speziell für diese Farben optimiert wurden. Photonenmanagement für Fortgeschrittene sozusagen. Noch ist das alles Grundlagenforschung. Doch die verlockenden Anwendungen ließen bereits große Solarzellenhersteller anklopfen.
"Mit dieser Versuchsanordnung lenken wir verschiedenfarbiges Licht auf winzige Solarzellen, die hier vorne in einem Halter montiert sind. Auf dem Monitor dort sehen wir dann, wie viel Strom sie bei blauem, grünem oder rotem Licht liefern. So können wir die Leistung herkömmlicher Solarzellen mit jener von Zellen vergleichen, die wir zuvor mit winzigen metallischen Strukturen beschichtet haben."
Mark Brongersma will Solarzellen einen Effizienzkick verpassen, indem er ihre Oberfläche mit Zehntausendstel Millimeter messenden Partikeln aus Gold, Silber oder Aluminium beschichtet, die Licht förmlich ansaugen.
"Solche winzigen Metallteilchen können Licht konzentrieren - ganz ähnlich wie eine Radioantenne, die alle Funkwellen einfängt, die sie treffen. Die Radioantenne konzentriert die meterlangen Radiowellen in einem viel kleineren Radio. Analog dazu versuchen wir, Licht in einer Solarzelle zu konzentrieren, um so die Effizienz der Energieumwandlung zu steigern."
Elektromagnetische Wellen mit metallischen Strukturen einzufangen, ist bei Radar- und Mikrowellen ein alter Hut. Bei sichtbarem Licht, mit seiner millionenfach kleineren Wellenlänge, wurde es aber erst innerhalb der letzten paar Jahre überhaupt denkbar - dank Nanotechnologie.
"Das elektromagnetische Feld der einfallenden Lichtwelle rüttelt an den Elektronen in diesen metallischen Nanopartikeln. Es kommt zu periodischen Ladungsverschiebungen, die sich immer weiter aufschaukeln. Dabei entstehen Ströme, die ihrerseits wieder ein lokales elektromagnetisches Feld erzeugen. Und dieses Lichtfeld in unmittelbarer Nähe der Metallpartikel können wir nutzen, um die Absorption des Materials zu steigern."
Höhere Absorption bedeutet, dass mehr Licht in der aktiven Schicht der Solarzelle gefangen wird und dort Strom erzeugt. Bei den preiswerten Lichtwandlern aus amorphem Silizium oder Plastik lasse sich die Absorptionsrate um 40 bis 50 Prozent erhöhen, sagt Mark Brongersma. Bei den besten Solarzellen aus kristallinem Silizium sei in punkto Effizienzsteigerung zwar nicht mehr viel drin, dafür könnten die Nanostrukturen aus Stanford aber helfen, deren Herstellungskosten zu senken. Ein Halbleiterfilm, der Licht effizienter einfängt, muss weniger dick sein, um denselben Strom zu liefern.
"Wir experimentieren derzeit mit Nanopartikeln verschiedener Formen und Größen, um herauszufinden, welche Strukturen den größten Effekt haben. Angefangen haben wir mit winzigen Kugeln und Drähten. Mittlerweile entwerfen wir auch komplexe Metallstrukturen, die verschiedene Lichtfarben an unterschiedlichen Stellen einer Solarzelle konzentrieren."
Mark Brongersmas Vision: Eine simple Nano-Beschichtung, deren filigrane Strukturen den roten, grünen und blauen Anteil des Sonnenspektrums auf Energiewandler lenken, die speziell für diese Farben optimiert wurden. Photonenmanagement für Fortgeschrittene sozusagen. Noch ist das alles Grundlagenforschung. Doch die verlockenden Anwendungen ließen bereits große Solarzellenhersteller anklopfen.