Nanoröhren speichern Lichtenergie länger als gedacht
24.01.2014Winzige Röhren aus Kohlenstoff haben als effiziente Wandler von Licht zu Elektrizität ein größeres Potenzial als bisher geglaubt. Diese Eigenschaft, die Würzburger Forscher offengelegt haben, könnte für optische Sensoren und die Solartechnik dienlich sein.
Ob in der Solartechnik oder in speziellen Lichtsensoren: Der effizienten Umwandlung von Lichtenergie in elektrischen Strom kommt in der Zukunft eine immer größere Rolle zu. Doch auf diesem Gebiet gibt es – bei den marktüblichen Silizium-Solarzellen wie auch bei anderen Technologien – noch eine Herausforderung zu meistern. Die besteht darin, auch Licht von geringerer Energie, wie es in der Sonnenstrahlung massig vorhanden ist, zu Strom zu machen. Weil Silizium-Solarzellen das nicht schaffen, können sie nicht mehr als ein Viertel der Sonnenenergie ausnutzen.
Um das Repertoire von Detektortechnologien und der Solartechnik zu erweitern, hat die Wissenschaft darum auch andere Materialien im Blick – zum Beispiel Nanoröhren aus reinem Kohlenstoff. Diese winzigen Gebilde sind etwa tausend Mal dünner als Haare und leiten elektrischen Strom sehr gut. Erste Solarzellen aus solchen Nanoröhren wurden versuchsweise vor einigen Jahren hergestellt; ihr Wirkungsgrad liegt derzeit bei einem Prozent.
Ob und wie sich dieses Potenzial steigern lässt, das erforschen an der Universität Würzburg die Teams der Professoren Tobias Hertel (Physikalische Chemie) und Vladimir Dyakonov (Experimentelle Physik). Die Wissenschaftler haben grundlegende Prozesse im Blick, die in den Kohlenstoff-Nanoröhren ablaufen: Was passiert mit der Lichtenergie, wenn sie absorbiert wird? Wie wird sie in elektrischen Strom umgewandelt? Und warum geht ein Teil der Energie verloren?
Erstmals Triplett-Zustände charakterisiert
Bei ihrer Arbeit ist den Würzburgern eine weltweite Premiere gelungen, über die das Fachjournal „Nature Photonics“ berichtet hat: Mit einer ausgeklügelten spektroskopischen Technik haben sie in den Nanoröhren diejenigen Elektronen sichtbar gemacht, die sich – angeregt durch Licht – im energetisch „aufgeladenen“ Triplett-Zustand befinden.
Der Triplett-Zustand hatte sich einer genauen Beschreibung bislang entzogen. Durch die Messungen der Forscher steht nun unter anderem fest: In diesem Zustand behalten Nanoröhren ihre Anregungsenergie eine Million Mal länger als im Singulett-Zustand – letzterer ist so kurzlebig, dass er fast seine gesamte Energie als Wärme abgibt, bevor sie sich in elektrischen Strom ummünzen lässt.
Schlüssel für höheren Wirkungsgrad?
„Das bedeutet vielleicht, dass die Triplett-Zustände ein Schlüssel sind, um die Lichtenergie in Kohlenstoff-Nanoröhren besser ausnutzen zu können“, erklärt Hertel. Diese Erkenntnis sei für das Verständnis lichtphysikalischer Prozesse in Kohlenstoff-Nanoröhren geradezu ein Meilenstein, so die einhellige Meinung der Würzburger Wissenschaftler.
Nachdem die Elektronen im Triplett-Zustand nun kein Dasein im Verborgenen mehr fristen, wollen die Forscher sie genauer untersuchen. „Wir haben gesehen, dass es eine ganze Familie von Triplett-Zuständen gibt“, sagt Hertel. Als nächstes soll darum geklärt werden, wie sich die Familienmitglieder voneinander unterscheiden. Zudem gilt es neue Methoden zu entwickeln, um die Lebensdauer dieser Elektronen-Zustände noch besser bestimmen zu können.
Triplet-triplet exciton dynamics in single-wall carbon nanotubes, Dominik Stich, Florian Späth, Hannes Kraus, Andreas Sperlich, Vladimir Dyakonov, and Tobias Hertel, Nature Photonics, 8. Dezember 2013, DOI: 10.1038/nphoton.2013.316
Kontakt
Prof. Dr. Tobias Hertel, Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Würzburg, T (0931) 31-86300, tobias.hertel@uni-wuerzburg.de
