Upkonversion von Sonnenlicht Photonenwandler: Mit Nanopartikeln Licht verstärken

Sonnenlicht ist eine schier unerschöpfliche Energiequelle. Doch für manche technische Anwendungen wie Photovoltaik sind große Teile des Sonnenspektrums zu schwach. Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin haben nun ein Nanomaterial entwickelt, mit dem sich die schwachen Lichtanteile in energiereicheres Licht konvertieren lassen – und zwar erstmals auch bei niedrigen Lichtintensitäten wie sie bei Sonnenlicht üblich sind.

Berlin – Manche Materialien zeichnen sich durch eine besondere Eigenschaft aus: Sie sind in der Lage, langwelliges Licht in Licht mit deutlich kürzerer Wellenlänge umzuwandeln. Sie können also energiearmes Licht aufnehmen und als energiereiches Licht wieder abgeben – wobei man betonen muss, dass dabei nicht mehr Energie ausgestrahlt wird als vorher in das Material hineingekommen ist. Vielmehr vereinen solche Materialien je zwei oder mehr energiearme Photonen zu einem Photon mit höherem Energiegehalt. Physiker sprechen dabei von Aufkonvertierung oder Upconversion.

Dieser Effekt eröffnet etwa in der Photovoltaik die Möglichkeit, auch bislang nicht genutzte Anteile des Sonnenlichts für die Gewinnung von elektrischer Energie nutzbar zu machen. „In den heute verwendeten Solarzellen, die meist aus Silizium bestehen, gilt das für infrarotes Licht mit Wellenlängen von mehr als etwa 1200 Nanometern, das bei der Stromerzeugung verlorengeht“, sagt Prof. Dr. Christiane Becker, die am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) eine Nachwuchsforschungsgruppe leitet. Durch Upconversion ließe sich der Verlust an Licht verringern und die energetische Effizienz von Solarzellen so deutlich verbessern.

Hochkonvertierende Nanopartikel

Dass der Trick der Aufkonvertierung von Photonen bislang technisch nicht angewandt wird, liegt vor allem an der geringen Umwandlungseffizienz der geeigneten Materialien. „Man benötigt für diesen Prozess sehr hohe Lichtintensitäten“, sagt Materialforscherin Becker. „Das Sonnenlicht ist dafür schlichtweg zu schwach.“

Doch gemeinsam mit einem Team um Dr. Christian Würth und Dr. Ute Resch-Genger vom Fachbereich Biophotonik der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin fanden Becker und ihre Arbeitsgruppe nun einen Weg, um den Upconversion-Effekt auch für das vergleichsweise schwache Sonnenlicht zu erschließen: Dazu beschichteten die Forscherinnen eine so genannte Metaoberfläche – eine Materialoberfläche, die eine regelmäßige Struktur im Maßstab weniger Nanometer besitzt – mit Nanoteilchen. Die Die hochkonvertierenden Partikel (UCNP) bestehen aus Natrium, Yttrium, Fluor, Ytterbium und Erbium und können durch Upconversion infrarotes in sichtbares Licht umwandeln.

Photovoltaik

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Tausendfach verstärkte Signale

Durch experimentelle Messungen und Computersimulationen haben die Berliner Forschergruppen belegt, dass die spezielle Struktur an bestimmten Stellen der Metaoberfläche die Intensität des eingestrahlten Lichts enorm verstärkt und so eine wirkungsvolle Wandlung der Wellenlänge ermöglicht. Der Vergleich mit einer ebenen Oberfläche ohne Nanostrukturierung zeigte: Mit der richtig eingestellten Beschichtung aus UCNP-Nanoteilchen lässt sich eine bis zu tausendfache Verstärkung der elektrischen Feldstärke in den Lichtwellen erreichen.

Geringe Nachweisgrenzen dank „getrenntem“ Licht

Eine mögliche Anwendung für diese Lichtverstärkung sieht die HZB-Wissenschaftlerin Becker neben der Photovoltaik vor allem auch in der Biotechnologie. Biologische Substanzen wie die Erbsubstanz DNA oder Antikörper der menschlichen Immunabwehr könnten mithilfe dieses Effekts detektiert werden. Die Idee der Berliner Forscher: Man könnte das Upconversion-Material an solchen Molekülen oder biochemischen Partikeln befestigen. „Dann ließen sich die nachzuweisenden Substanzen mit infrarotem Licht anregen – und beispielsweise mit grünem Licht nachweisen“, erklärt Becker.

Der Vorteil: So wären das anregende und das detektierte Licht spektral strikt voneinander getrennt – anders als bei herkömmlichen Verfahren, bei denen sich die beiden Lichtanteile teils gegenseitig beeinflussen und den Nachweis dadurch erschweren. „Somit wäre es möglich, auch sehr geringe Konzentrationen etwa von Antikörpern zuverlässig zu messen“, sagt die Wissenschaftlerin.

Neuer Sensor für elektrische Feldstärken

Becker hat zudem eine weitere mögliche Anwendung des Upconversion-Effekts im Visier: „Da die Eigenschaften der dabei verwendeten Nanoteilchen genau bekannt sind, lässt sich aus dem Verhältnis der Intensitäten von rotem oder infrarotem und grünem Licht auf die Stärke des elektrischen Feldes an der Metaoberfläche schließen“, erklärt sie. Dass das funktioniert, haben die Forscher von BAM und HZB in ihren Experimenten ebenfalls belegt. Damit haben sie einen neuartigen und hochempfindlichen Sensor für elektrische Feldstärken im Nanobereich geschaffen.

Originalpublikation: Christian Würth, Phillip Manley, Robert Voigt, Doğuşcan Ahiboz, Christiane Becker, Ute Resch-Genger: Metasurface enhanced sensitized photon upconversion: towards highly efficient low power upconversion applications and nano-scale E-field sensors, Nano Lett. 2020; DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02548

* Dr. I. Helms, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie, 12489 Berlin

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