Dieses neue Gerät kann Innenbeleuchtung nutzen um elektronische Geräte anzutreiben

Die geringe Intensität von Zimmerbeleuchtungen ist perfekt für diese Erfindung

Wir verschwenden eine Menge Energie durch vereinzelte elektromagnetische Felder, die dafür sorgen, dass Handy, Wlan und co. stets einwandfrei funktionieren. Ab und an behauptet dann jemand, dass es doch einen Weg geben muss, um diese Felder für kabelloses Aufladen unserer Geräte zu nutzen. Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern (eine Zusammenarbeit von Schweizern, Chinesen und Schweden) eine noch simplere Option präsentiert: einfach das Licht nutzen mit dem wir ständig unsere Räume beleuchten.
Die Forscher entwarfen diese neue Version einer Technologie – der Farbstoffsolarzellen – die bisherige Erwartungen nicht erfüllen konnte. Sie fanden heraus, dass diese Solarzellen im matten Licht unserer Häuser sogar die höchst effizienten Zellen übertrafen, die eigentlich für Weltraumexpeditionen vorbehalten sind.
In den meisten Solarzellen werden Elektronen in Halbleitern erzeugt und durch Kabel extrahiert. Brauchbarer Strom wird dann durch einen zweiten Satz von Kabeln generiert, die die Elektronen zurück zur anderen Seite des Geräts senden. Die Effizienz und die Fähigkeit die Elektronen zu extrahieren bevor sie zurückwandern wird allerdings durch das Photovoltaikmaterial selbst verringert.
Farbstoffsolarzellen funktionieren nach völlig anderen Grundlagen. In gewisser Weise ist der Name irreführend, da die Farbstoffe in Wirklichkeit die Photovoltaikmaterialien sind, die die Elektronen extrahieren. Halbleiter sind zwar zugegen, sorgen jedoch lediglich dafür dass der Strom transportiert wird. Elektronen gelangen durch einen Elektrolyten zurück in das System, welcher die Elektronen von der externen Verkabelung zurück zu den Farbmolekülen bringt und so dafür sorgt, dass sich dieser Kreislauf wiederholen kann.
Dieses System scheint eine Menge Vorteile zu haben. Zum einen können die Halbleiter durch verarbeitende Lösungen eingesetzt werden. Im Vergleich zur Herstellung von Siliziumplatten ist dieser Vorgang billig und flexibel. Zum anderen ist es durch das Vermischen verschiedener Farbstoffe möglich, das Absorbieren mehrerer Wellenlängen zu erreichen und so das absorbierte Licht zu maximieren.
Obwohl das sehr vielversprechend klingt, ist der Durchbruch bisher ausgeblieben. Das liegt zum Teil daran, dass die Farbstoffe normalerweise größere, kohlenstoffbasierte Moleküle sind, die Elektronen nicht so effizient leiten können wie manch Halbleiter. Obwohl sie mit Sicherheit billiger hergestellt werden könnten, hat der Preisabfall der Siliziumplatten diesen Unterschied nahezu nichtig gemacht.

Doch die neueste Erfindung macht deutlich, dass die daran arbeitenden Forscher noch nicht das Handtuch geworfen haben (einer der Autoren hat maßgeblich zum Fortschritt der Farbstoffsolarzellen beigetragen). Das Gerät zeigt kleinere und auch größere Verbesserungen in dem Sektor.
Zunächst ist das Elektrolyt auf Kupferbasis, wodurch die Notwendigkeit seltener und teurer Metalle beseitigt wird. Das Kupfer ist in einem Gehäuse von Kohlenstoff-Stickstoff Ringen eingebettet und wird so ein wenig voluminöser. In Kombination mit den ebenfalls umfangreichen Farbstoffen ist dies hilfreich. Diese Kombination reicht aus um das Kupfer von den Halbleitern fernzuhalten, da andernfalls ein Kurzschluss die Folge wäre.
Beide Farbstoffe sind recht voluminös und bestehen aus einer langen Reihe von Ringen. Diese Ringe sorgen für eine Leiterbahn, die die Elektronen von der Spitze des Farbstoffes (wo die absorbierende Chemie aktiv ist) zu der Basis des Moleküls transportiert, wo das Molekül mit dem Halbleiter verbunden ist. Die Distanz verringert dabei die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen vom Halbleiter zurück in das Farbstoffmolekül gelangen. Die Effizienz wird dadurch verstärkt.
Die Basis wurde außerdem dazu entworfen mit Titandioxid zu reagieren, aus dem die Halbleiter hergestellt sind. Des Weiteren stimmt die Leiterbahn des Farbstoffes mit der Energie des leitenden Bands des Titandioxids überein.


Die zwei verwendeten Farbstoffe können in verschiedenen Verhältnissen mit einander vermischt werden und Wissenschaftler testeten eine Vielzahl möglicher Kombination um die effektivste zu ermitteln. Schlussendlich einigten sie sich auf eine Kombination die effektiv alle Wellenlängen zwischen 350 und 650 Nanometern absorbieren kann. Da das sichtbare Spektrum normalerweise zwischen 400 und 700 Nanometern liegt, schließt diese Kombination die Mehrzahl der Wellen mit ein.
Unter Sonneneinstrahlung ist diese Erfindung nichts Besonderes. Sie erzeugt eine Effizienz von etwas mehr als 11% und da Silikonzellen bei gut über 20% liegen, ist dies keine wirkliche Revolution in dem Sektor.
Doch intern funktioniert diese Technologie deutlich besser, da sie dazu in der Lage ist aus nahezu jedem absorbierten Photon ein Elektron zu erzeugen. Die Forscher schreiben, dass „die interne Quanteneffizienz zwischen 90 und 100% liegt“ obwohl einige Verluste durch die Verbindung mit externen Verkabelungen entstehen.
Deswegen beschlossen Forscher einen Test unter Bedingungen, bei denen die Anzahl der Photonen beschränkt ist: Innenbeleuchtung. Selbst sehr helle Lichtverhältnisse in geschlossenen Räumen entsprechen normalerweise nur etwa 1% der Energie eines sonnigen Tages. Im Gegensatz zu Sonnenlicht erzeugen die meisten Beleuchtungen Photonen im sichtbaren Spektrum – dies entspricht dem Wirkungsraum der Farbstoffe.

Bei Innenbeleuchtung erreichte die Technologie nahezu 29% und damit knapp den Rekord für Solarzellen, die nur aus einem Material bestehen. Dementsprechend testeten die Forscher ihre Erfindung erneut gegen den Rekordhalter, Galliumarsenid, der so teuer ist, dass man ihn normalerweise nur für Solarzellen im All verwendet. Und die Farbstoffsolarzelle gewann den Wettstreit tatsächlich, da die Effizienz des Galliumarsenid im matten Licht deutlich verringert wurde.
Die Wissenschaftler schätzen dass es nur ein paar Quadratzentimeter dieser Zellen braucht um einen kleinen Sensor lediglich durch Raumbeleuchtung anzutreiben. Eine Platte in der Größe eines Smartphones könnte in einem erleuchteten Raum rund 30Milliwatt erzeugen. Das ist bei Weitem nicht genug für größere Maschinen, aber dennoch ausreichend für das ein oder andere nützliche kleinere Gerät.

Quellen: arstechnica.com, nature.com

Dieses neue Gerät kann Innenbeleuchtung nutzen um elektronische Geräte anzutreiben
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