Metamaterial soll bessere Solarzellen ermöglichen

Ein Team von Wissenschaftlern am California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena hat ein Metamaterial entwickelt, dessen Struktur Licht mit einem negativen Brechungsindex (Negative-Index Metamaterial, NIM) bricht. Das soll bessere Solarzellen ermöglichen.

Wellenleiter in Metallschicht

Das Metamaterial besteht aus einer mehrere hundert Nanometer dicken Metallschicht, die mit gekoppelten plasmonischen Wellenleitern durchsetzt ist, schreiben die Wissenschaftler um Harry Atwater in der britischen Fachzeitschrift Nature Materials. Das sind runde Hohlräume, in deren Innerem ein dünner Draht aus dem gleichen Metall, in diesem Fall Silber, verläuft. Der Raum um den Draht ist mit einem zweiten Material aufgefüllt.

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Querschnitt durch das Metamaterial (Grafik: Caltech/Stanley Burgos)

Je nach Größe dieser Strukturen lässt sich die Brechung des Lichts beeinflussen - und zwar sowohl das Spektrum, das gebrochen wird, als auch der Winkel. Vorteil dieses Materials sei, erklären die Wissenschaftler, dass das Metamaterial das Licht unabhängig vom Einfallwinkel und von der Polarisation bricht. Das von den kalifornischen Forschern konstruierte Metamaterial bricht das blaue Spektrum des Lichts und ist ihren Angaben zufolge damit das erste NIM, das im sichtbaren Spektrum wirkt.

Wie durch Luft

Ziel sei, ein Material herzustellen, das den gleichen Brechungsindex wie Luft hat, durch das das Licht also hindurchgeht wie durch Luft, sagte Atwater dem US-Wissenschaftsmagazin Technology Review. Normalerweise wird Licht gebrochen, wenn es von einem Medium in ein anderes wechselt, weshalb ein gerader Gegenstand, der ins Wasser gehalten wird, gebogen erscheint. Dann sollen Solarzellen mit diesem Metamaterial beschichtet werden. Eine Solarzelle mit dem gleichen Brechungsindex wie Luft würde demnach kein Licht reflektieren, sondern alles nutzen können.

Das Problem ist jedoch noch die Lichtdurchlässigkeit: Nur 40 Prozent des einfallenden Lichts geht durch die Strukturen. Ziel sei, so Atwater, das Material so weiterzuentwickeln, dass sich dieser Anteil auf 90 Prozent erhöhe und das Metamaterial als Beschichtung von Solarzellen sinnvoll eingesetzt werden könne.

Metamaterialien sind Stoffe, die auf Grund ihrer Struktur elektromagnetische Wellen auf eine Art und Weise beeinflussen, die in der Natur nicht vorkommt. Unter anderem sollen sie die Entwicklung von Tarnkappen, die unsichtbar machen, ermöglichen.