1.000 Mal heller als die Sonne

Für das Hallenser ZIK SiLi-nano geht im Sommer 2014 eine fünfjährige Förderperiode zu Ende. Anfang dieses Jahres trafen sich die SiLi-nano-Nachwuchsforscher und ihre Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft zu einem Status-Workshop in der Lutherstadt Wittenberg. Sie formulierten Antworten auf die Frage: Wo stehen wir auf dem Weg zu unseren großen Visionen?

„Unsere große Vision ist der Licht-Computer, aber der braucht wohl noch Zeit“, Physiker Dr. Jörg Schilling schmunzelt. Er hat da einen Computer im Sinn, in dem schnelle Lichtimpulse die Kommunikation zwischen Bauteilen eines Chips übernehmen.

Immerhin ist Schillings Nachwuchsforschungsgruppe „Silicon to Light“ große Schritte vorangekommen auf dem Weg dorthin. Ihr Wegweiser ist Silizium. Doktoranden der Gruppe untersuchten das Zusammenspiel von „Silizium + Licht“ (SiLi-nano) unter gezielten Fragestellungen. Und haben erleuchtende Erkenntnisse zusammengefasst. „So können mittlerweile Methoden beschrieben werden“, sagt Schilling, „mit denen sich die Eigenschaften von Silizium fundamental verändern lassen.“ Soll heißen: Das Material Silizium kann durch Nanostrukturierungen Eigenschaften gewinnen, die es in die Lage versetzen, verschiedene Wellenlängen des Lichts zu „kreieren“. So können dann viel größere Datenmengen in höherer Geschwindigkeit transportiert werden, als es die konventionellen Spannungsimpulse tun.

Ein cooler Laptop, der nicht heiß läuft

Jörg Schilling bringt die Erkenntnisse dazu auf einen kurzen Nenner: „Durch Oxidieren oder Aufbringen von Schichten aus anderen Materialien kann das Kristallgitter von Silizium inhomogen verzerrt werden, so dass z.B. Licht mit halber Wellenlänge erzeugt wird.“ Der praktische Nutzen liegt auf der Hand – bzw. auf den Knien, wenn der Laptop eben dort liegt, während er sich im wahren Wortsinne heiß läuft bei den gewaltigen Datenmengen, die er zu verarbeiten hat. „Elektrische Ströme verbrauchen viel Energie, die in Wärme umgewandelt wird“, Schilling führt die riesigen und teuren Klimaanlagen ins Feld, mit denen Rechenzentren gekühlt werden müssen. Könnten Lichtimpulse durch das Material geschickt werden, gäbe es deutlich geringere Energieverluste, und kaum noch Abgabe von Wärme.

„Die Menge und vor allem die Größe der zu transportierenden Daten nimmt zu, gleichzeitig auch die Erwartungen an deren Schnelligkeit“, betont Jörg Schilling. Spontan fällt ihm der schnelle Transport von bewegten Bildern in HD-Qualität ein.

Die Solarzelle muss das Licht sehen können

Für die Nachwuchsforschungsgruppe „Light to Silicon“ liegt die Zukunft von „Silizium + Licht“ auf dem Dach, oder auf dem Boden – und damit schon zum Greifen nah. Mit dem Einbruch des Photovoltaik-Marktes war für die Gruppe um Dr. Gerhard Seifert eine Frage noch mehr ins Zentrum der Forschung gerückt, sie ist letztlich für den Absatzmarkt von Solarzellen entscheidend: Wie kann der Wirkungsgrad einer Solarzelle erhöht werden, ohne dass deren Produktion teurer wird?

Momentan, erklärt Gerhard Seifert, könnten die besten Silizium-Solarzellen etwa 18 bis 19 Prozent des Lichts, das von der Sonne ankommt, in elektrischen Strom umwandeln. Die Doktorarbeiten in seiner Gruppe würden wertvolle Erkenntnisse liefern, wie man bei der Erhöhung der Ausbeute kurz- und mittelfristig vorankomme. „Zum einen haben wir Antworten gefunden auf die Frage, wie die innere Nanostruktur eines Glases beschaffen sein muss, um noch mehr Licht der Sonne sichtbar zu machen und in elektrische Energie umzuwandeln“, sagt Seifert und dass der Trick darin bestehe, seltene Erden in Nanokristalle einzulagern. Die so genannte Glaskeramik wandelt die Infrarotstrahlung von der Sonne in für Solarzellen nutzbares sichtbares Licht um (siehe Grafik). Momentan erreiche man aber erst mit konzentriertem Licht, das mehr als 1.000 Mal heller ist als die Sonne, einen etwa ein Prozent höheren Wirkungsgrad für die Solarzelle.

Andere Ideen, die Produktionsschritte bei der Herstellung einer Solarzelle zu optimieren, stehen kurz vor der praktischen Umsetzung. „Wir haben Partner in der Wirtschaft, die unsere Ergebnisse in ihren Produktionsprozess integrieren wollen“, sagt Seifert.


Nähere Informationen über das ZIK SiLi-nano finden Sie hier.