Der Swing des Lichts

Die Welt ist abhängig von fossilen Brennstoffen. Immer noch wird ein Großteil des Energiebedarfs durch Kohle, Öl und Gas gedeckt. Erneuerbare Energieformen, wie Solarstrom, könnten diese Abhängigkeit beenden. Die am weitesten verbreiteten Halbleiter-Solarzellen haben jedoch mit einem großen Problem zu kämpfen: Ihr Wirkungsgrad beträgt in der Regel gerade einmal 30 Prozent. Aurora Manzi , Doktorandin am Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik, arbeitet daran das zu ändern. In den Labors des Nano-Institutes experimentiert sie mit Perowskit-Nanokristallen; der Begriff bezeichnet eine spezifische Kristallstruktur. Die optische Anregung eines solchen Nanokristalls ist normalerweise nur dann effizient, wenn die Wellenlänge des verwendeten Lichts oberhalb der sogenannten Bandlücke des kristallinen Materials liegt. Manzi stellte jedoch fest, dass sich der Grad der Energieumwandlung bei der Verwendung von Arrays deutlich steigern lässt, auch wenn die Anregungsenergie unterhalb der Bandlücke lag. Erklären konnten sich die Forscher des NIM das erst einmal nicht. „Ich war vollkommen überrascht“, gesteht Manzi.

Die weiteren Untersuchungen ergaben, dass der Effekt auf eine simultane Absorption vieler Photonen zurückgeht in Verbindung mit einem Phänomen, wie man es von resonierenden Obertönen in der Musik kennt. Das ermöglicht, dass auch Wellenlängen transformiert werden können, die unterhalb der Bandlücke liegen, einem Spektralbereich, den die Solarzellen nicht effektiv nutzen können. Das Phänomen taufte Manzi „Solar-Gitarre“; sie erklärt die Analogie so: „Wenn wir eine erste Saite als Lichtanregung ansehen und eine zweite Saite als Exziton an der Bandlücke des Halbleiters, dann wissen wir aus der Akustik, dass sie in Resonanz treten, sobald ein Oberton der ersten Saite mit einem Oberton der zweiten Saite übereinstimmt.“

2015 erhielt die Italienerin für ihre Masterarbeit den Innovation-Award des Center for NanoScience (CeNS) an der LMU. Damals beschäftigte sie sich in ihrer Forschung noch mit einer anderen Art der Transformation: der Frage, sich CO2 durch Solarenergie in Methan umwandeln lässt und so aus einem Abfallprodukt ein Treibstoff entstehen kann. Hinter ihrer Arbeit in der Grundlagenforschung steckt die Motivation, einen Beitrag zu einer Zukunft ohne fossile Brennstoffe zu leisten. Das neue Nano-Institut schafft, so sagt die junge Physikerin, dafür die besten Voraussetzungen: „In unseren neuen Laboren haben wir die Möglichkeit, unsere Aufbauten von Anfang an so zu planen, wie wir sie brauchen. Das heißt, dass wir unsere Versuche nicht nur besser, sondern auch effizienter gestalten können.“