Sonnenenergie: Diese Goldkügelchen können etwa 90 Prozent des Spektrums des Sonnenlichts auffangen

Die Umwandlung von Sonnenlicht in nutzbare Energie gehört zu den zentralen technologischen Herausforderungen der Energiewende. Obwohl moderne Solarsysteme große Fortschritte gemacht haben, bleibt ein grundlegendes Problem bestehen: Ein beträchtlicher Teil der Sonnenstrahlung wird bislang nicht effizient genutzt. Neue Forschungsergebnisse zeigen nun, dass winzige, selbstorganisierte Goldstrukturen – sogenannte „Supraballs“ – dieses Defizit deutlich verringern könnten, indem sie nahezu das gesamte Sonnenspektrum absorbieren.

Warum herkömmliche Materialien Sonnenlicht nur teilweise nutzen

Sonnenlicht besteht aus einem breiten Spektrum elektromagnetischer Strahlung, das vom sichtbaren Bereich bis in das nahe Infrarot reicht. Viele etablierte Technologien zur Energiegewinnung reagieren jedoch nur auf einen begrenzten Teil dieser Wellenlängen. Dadurch bleibt ein erheblicher Anteil der eingestrahlten Energie ungenutzt. Genau hier setzen Forschungen im Bereich der Nanomaterialien an.

Metallische Nanopartikel aus Gold oder Silber gelten seit Jahren als vielversprechende Kandidaten, da sie Licht besonders stark wechselwirken lassen können. Ihre optischen Eigenschaften beruhen auf sogenannten plasmonischen Effekten, bei denen Elektronen an der Metalloberfläche kollektiv auf Licht reagieren. Allerdings absorbieren einzelne Nanopartikel typischerweise nur relativ schmale Wellenlängenbereiche, meist im sichtbaren Licht. Das begrenzt ihre praktische Effizienz für Solarenergieanwendungen erheblich.

Forscher:innen suchten daher nach einer Möglichkeit, diese Einschränkung zu überwinden, ohne die Herstellung komplizierter oder teurer zu machen. Die Lösung entstand nicht durch ein neues Material, sondern durch eine neue Struktur.

Selbstorganisierte Goldkugeln als Lichtfänger

Die entwickelten Supraballs bestehen aus Hunderten winziger Goldnanopartikel, die sich selbstständig zu mikroskopisch kleinen Kugeln zusammenlagern. Durch diese geordnete Anordnung entstehen neue optische Eigenschaften, die einzelne Partikel allein nicht besitzen. Entscheidend ist dabei das Zusammenspiel verschiedener Resonanzeffekte innerhalb der Kugelstruktur.

Simulationen zeigten zunächst, dass solche Supraballs theoretisch mehr als 90 Prozent der im Sonnenlicht enthaltenen Wellenlängen absorbieren könnten. Anschließende Experimente bestätigten diese Vorhersage weitgehend. Die Forscher:innen passten gezielt den Durchmesser der Kugeln an, um die Absorption optimal auf das Sonnenspektrum abzustimmen.

Ein praktischer Vorteil liegt in der Herstellung: Die Strukturen entstehen aus einer Flüssiglösung, die einfach auf eine Oberfläche aufgetragen und unter normalen Laborbedingungen getrocknet wird. Aufwendige Reinraumverfahren oder extreme Temperaturen sind nicht erforderlich. Damit gilt der Ansatz als vergleichsweise leicht skalierbar – ein entscheidender Faktor für spätere industrielle Anwendungen.

Fast doppelte Energieaufnahme im Experiment

Um die Leistungsfähigkeit zu testen, beschichteten die Forscher:innen einen handelsüblichen thermoelektrischen Generator mit einer dünnen Schicht aus Supraballs. Dieses Bauteil wandelt Wärme beziehungsweise Lichtenergie direkt in elektrische Energie um. In Versuchen mit einem Sonnensimulator erreichte das beschichtete System eine durchschnittliche Lichtabsorption von rund 89 Prozent – nahezu doppelt so viel wie vergleichbare Beschichtungen aus einzelnen Goldnanopartikeln, die etwa 45 Prozent erreichten.

Die gesteigerte Effizienz zeigte sich auch in der Energieausbeute: Die Leistungsabgabe erhöhte sich deutlich gegenüber konventionellen Nanopartikel-Filmen. Laut Mitautor Seungwoo Lee bieten die Strukturen „einen einfachen Weg, das gesamte Sonnenspektrum zu nutzen“. Die Technologie könne langfristig die Entwicklung effizienterer solarthermischer und photothermischer Systeme erleichtern.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Fortschritte in der Solarenergie nicht ausschließlich von neuen Halbleitermaterialien abhängen müssen. Ebenso entscheidend kann die gezielte Gestaltung von Strukturen im Nanometermaßstab sein, die Licht effektiver einfangen und umwandeln. Sollte sich der Ansatz im größeren Maßstab bewähren, könnten plasmonische Supraballs künftig als zusätzliche Beschichtung bestehender Systeme eingesetzt werden und deren Effizienz steigern, ohne komplette Technologien ersetzen zu müssen. Damit rückt eine umfassendere Nutzung der Sonnenenergie einen weiteren Schritt näher.

via American Chemical Society

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