Mit Nanoantennen die Sonnenenergie optimal nutzen

Der Physiker Toni Eichelkraut von der Friedrich-Schiller-Universität Jena gehört zu den Gewinnern des erstmals vergebenen Nachwuchspreises „Green Photonics“. Der 25-Jährige ist im Rahmen der diesjährigen Hannover Messe für seine Masterarbeit „Plasmonic Nanostructures to Enhance Up-Conversion Processes“ mit dem ersten Preis in der Kategorie Bachelor, Master- und Diplomarbeiten geehrt worden. Toni Eichelkraut arbeitete im Institut für Festkörpertheorie und -optik und dem Abbe Center of Photonics und wurde von Juniorprofessor Dr. Carsten Rockstuhl betreut. Sein Preis ist mit 1.500 Euro dotiert.

In seiner jetzt ausgezeichneten Arbeit entwickelte der Jenaer Nachwuchsforscher optische Nanoantennen, mit denen sich die Effizienz von Solarzellen erheblich steigern lässt. „Bisher ist die Effizienz von Solarzellen unter anderem dadurch limitiert, dass Sonnenlicht unterhalb einer bestimmten Energie nicht mehr durch das Material absorbiert werden kann“, erläutert Toni Eichelkraut. Dieses Licht sei für die Solarzelle verloren. Der Physiker von der Uni Jena versucht mit Hilfe der sogenannten Aufkonversion, auch diese spektralen Anteile des Sonnenlichts zur Energiegewinnung nutzbar zu machen. „Bei der Aufkonversion werden praktisch zwei niederenergetische Photonen in ein hochenergetisches Photon umgewandelt.“ Dieses könne anschließend durch die Solarzelle absorbiert werden.

Die Aufkonversion kann beispielsweise mit Erbium – einem Vertreter der Seltenen Erden – erfolgen, das in Gläser oder Keramiken dotiert ist. Der Effekt der Aufkonversion in reinem Erbium ist allerdings recht bescheiden und daher bislang ohne praktischen Nutzen. „Hier versprechen optische Nanoantennen Abhilfe“, macht Prof. Rockstuhl deutlich. Diese bestehen aus kleinen metallischen Nanopartikeln, die Licht im sichtbaren und nahen Infrarot-Spektralbereich „einfangen“ und so die Aufkonversion effizienter gestalten. „Die Bedeutung der Arbeit von Toni Eichelkraut liegt in der Erkenntnis, dass die Nanoantennen an die Seltenen Erden spektral angepasst sein müssen“, erläutert der Juniorprofessur für Theoretische Nanooptik. Nur so könne sich der Mechanismus der Aufkonversion zu voller Blüte entfalten und der Wirkungsgrad der Solarzellen so weit steigen, dass sich der Aufwand der Integration dieser Strukturen auch wirtschaftlich lohne.

An der experimentellen Umsetzung der von Toni Eichelkraut formulierten Idee wird gerade intensiv im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojektes „Infravolt“ gearbeitet, in welches die Masterarbeit eingebettet war. „Der substanzielle theoretische Beitrag von Toni Eichelkraut hat die Arbeit unseres Konsortiums entscheidend vorangebracht“, betont der Koordinator des Verbundprojektes Prof. Dr. Ralf B. Wehrspohn von der Universität Halle-Wittenberg.

Der erstmals vergebene Nachwuchspreis Green Photonics ist von der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der Angewandten Forschung e. V. und dem Jenaer Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF ausgelobt worden. Er würdigt Arbeiten junger Forscherinnen und Forscher der Ingenieur-, Natur- oder Wirtschaftswissenschaften aus, die sich in ihren Abschlussarbeiten mit der nachhaltigen Nutzung von Licht befassen. Eine Jury aus Vertretern von Industrie, Wissenschaft und Politik hat über die Vergabe des Preises an die insgesamt sieben Preisträger entschieden.

Kontakt:
Toni Eichelkraut, Prof. Dr. Carsten Rockstuhl
Institut für Festkörpertheorie und -optik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947176
E-Mail: carsten.rockstuhl[at]uni-jena.de