Nanodrähte für nachhaltige, erneuerbare Energien
Angesichts grundlegend neuer Technologien, die die Art und Weise der Stromerzeugung und -nutzung verändern, wird eines der wichtigsten Themen die Steigerung der Effizienz und die Senkung der Energiekosten sein. Nanotechnologie eröffnet ganz neue Wege zur Bewältigung dieser Herausforderungen. Insbesondere Halbleiter-Nanodrähte gelten als revolutionäres Supermaterial, das die Kosteneffizienz erhöhen und gleichzeitig die Menge des für die Energieumwandlung benötigten Materials reduzieren kann. Ausgehend von dem spannenden Potenzial der Nanodrähte gründeten die Forscher das Projekt PHD4ENERGY. Das Projekt bot zwölf Doktoranden die Möglichkeit, gemeinsame interdisziplinäre Forschung im Bereich der Nanowissenschaften zu betreiben. Mehrfachsolarzellen, phosphorfreie LED In den letzten Jahren hat die Forschung zu Halbleiter-Nanodrähten dazu beigetragen, das Verständnis der atomaren Struktur zu verbessern und neue physikalische Phänomene im Nanometerbereich aufzudecken. „Halbleiter-Nanodrähte bieten die Möglichkeit, Materialien im epitaktischen Wachstum einfach zu kombinieren. Dies ermöglicht zum Beispiel mehr Freiheit bei der Materialauswahl, wenn Mehrfachverbindungen oder Heterostrukturen im Gegensatz zu planaren Vorrichtungen gestaltet werden und könnte so zu Effizienzsteigerungen bei einfacheren Strukturen führen“, sagt Professorin Linke Heiner. „Mikrorisse, die in planaren Solarzellenmodulen entstehen, wenn Materialien nicht zusammenpassen, sind eine der Hauptursachen für Energieverluste“, erklärt Heiner weiter. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von Nanodrähten ist die Möglichkeit der Feinabstimmung der Wechselwirkung mit dem Licht. Nanostrukturen sind effiziente Lichtabsorber und können als „Antennen“ viel mehr Licht ernten und somit wesentlich weniger Material nutzen, was wiederum die Nachhaltigkeit erhöht. Die Tatsache, dass sie Licht aus ihrer Umgebung absorbieren können, ebnet den Weg für eine großflächige Photovoltaik mit nur einem Bruchteil des Materials. Unter Ausnutzung des kleinen Durchmessers und der zylindrischen Geometrie winziger Drähte aus III-V-Halbleitern gelang es dem Projektteam, einzigartige Bauelementstrukturen wie axiale und radiale Heteroübergänge zu entwickeln. Der Vorteil bei diesem Ansatz ist, dass die leitenden Eigenschaften entlang der Länge oder über den Radius des Nanodrahtes moduliert werden können. Eine weitere wichtige Errungenschaft auf dem Weg zu hocheffizienten, auf Nanodrähten basierenden Mehrfachsolarzellen ist das Design von Nanodraht-Tunneldioden, den sogenannten Esaki-Dioden, für den Einsatz in Tandemsolarzellen. Ein wesentlicher Teil ihrer Arbeit war auf das Design von LED-Strukturen in Nanometergröße ausgerichtet. Für LED mit sichtbarem Licht eignen sich die III-Nitride – Indiumgalliumnitrid – sehr gut mit Bandlücken im sichtbaren Bereich der Photonenenergien. Diese phosphorfreien LED haben dazu beigetragen, eine längerwellige Lichtemission für weißes Licht zu erzielen. Die Forscher haben auch gründliche Studien über vorteilhafte thermoelektrische Eigenschaften von Nanodrähten durchgeführt. Sie haben zum Beispiel erstmals im Experiment gezeigt, dass sich Wärme mit einem elektronischen Wirkungsgrad, der auf einer Stufe mit dem optimierter Kraftwerke steht, in Strom umwandeln lässt. Neben all den oben genannten anwendungsorientierten Aktivitäten untersuchten die Doktoranden auch die Sicherheit ihrer Nanodrähte und prüften sie auf mögliche Toxizität. PHD4ENERGY untersuchte neue Konzepte und Technologien, die den Weg zur Entwicklung von Photovoltaiksystemen der nächsten Generation und effizienten Lichtquellen weisen. Mit Blick auf die Beschäftigungsperspektiven der Doktoranden förderte das Projekt die Zusammenarbeit zwischen Studenten und der Industrie durch ein Ausbildungsprogramm an der Universität Lund. Ein großer Erfolg war auch die PhD4Energy Sommerschule 2016 über nanoskalige Energiewandler, zu der herausragende und international anerkannte Referenten eingeladen waren. Zahlreiche Doktoranden und Postdoktoranden nahmen daran teil.
Schlüsselbegriffe
PHD4ENERGY, Nanodraht, Solarzellen, LED, Halbleiter-Nanodrähte, Photovoltaik, Energieernte, Nanotechnologie, Energieumwandlung
