Als Weihnachtsgeschenk für die TAZ-Blog Leser/innen lege ich einen kurzen Bericht über die wohl wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen auf dem Gebiet der Energiewandlung unter den Baum, die innerhalb der letzten Dekade gemacht wurden – denn diese Entdeckungen belegen die Beschränktheit der Thermodynamischen Hauptsätze und die immensen Möglichkeiten des Quantenfeldes.

Bereits im März 2011 erschien eine Studie amerikanischer Physiker der Colorado School of Mines um Mark Lusk, in der berechnet wird, inwieweit die Größe von Quantenpunkten Einfluß auf die Energieübertragung von Elektronen zur Stromerzeugung nehmen kann. Die Ergebnisse unterstützen die MEG-Theorie, nach der durch Licht angeregte Elektronen-Loch-Paare (Exzitonen) ihre Energie auf mehrere (!) Elektronen übertragen und dadurch mehr Elektrizität generieren können. Auf der (in der Quelle einsehbaren) Abbildung ist das MEG-Konzept dargestellt. Links ist ein angeregtes Elektron (blau) mit Loch (rot) zu sehen, während rechts ein originales Exziton (dunkel) nebst neuem Exziton (hell) abgebildet sind. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch noch nicht absehbar, ob solche effizienten MEG-Solarzellen jemals wirklich umsetzbar sind.

Umso interessanter wird es daher Ende 2011, als die Fachpresse staunend die zuvor ‚physikalisch verbotene’ Zahl von 114 % veröffentlicht – und zwar als Wirkungsgrad einer neu vorgestellten MEG-Zelle des National Renewable Energy Laboratory (NREL), die von Matthew Beard und seinem Team entwickelt worden ist. Die Zelle erreicht diese Rate mit Hilfe von Quantenpunkten aus Bleiselenid. Diese erlauben es einem Photon im Schnitt 1,3 Elektronen freizusetzen.

Da diese Aussage vielerorts noch angezweifelt wird, habe ich die Kurzfassung der Publikation aus dem US-MagazinsScience vom 16. Dezember 2011 im Original in meiner Chronologie der Erneuerbaren Energie wiedergegeben (s.u. https://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_04_08_sonne_pv_typen_1.htm#Exitonen_Multiplikation)

Quellen:
Zhu, X.-Y. et al.: „Observing the Multiexciton State in Singlet Fission and Ensuing Ultrafast Multielectron Transfer“ in Science, 16. Dezember 2011, Vol. 334, Issue 6062, pp. 1541 – 1545, https://science.sciencemag.org/content/334/6062/1541; sowie: Beard, Matthew C.; Nozik, Arthur J. et al.: „Peak External Photocurrent Quantum Efficiency Exceeding 100 % via MEG in a Quantum Dot Solar Cell“ in Science, 16. Dezember 2011, Vol. 334, Issue 6062, pp. 1530 – 1533, https://science.sciencemag.org/content/334/6062/1530

Schon ein Jahr später, im Februar 2012, folgt die Meldung, daß eine Gruppe von Forschern am Massachusetts Institute of Technology (MIT) herausgefunden hat, wie man eine LED entwickelt, deren Effizienz die jeder anderen Glühbirne in den Schatten stellt. Tatsächlich gelingt es ihnen, erfolgreich eine LED mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 230 % zu testen. Die LED erzeugt nämlich 69 Picowatt Licht bei einer Leistung von nur 30 Picowatt.

Gegen die Energieerhaltung verstößt die Diode des MIT trotzdem nicht, denn um mehr als doppelt so viel Energie in Photonen abzugeben, wie sie in Elektronen aufnimmt, scheint sie Wärmeenergie aus ihrer Umgebung aufzunehmen. Anders ausgedrückt: Wenn die LED mehr als 100 % elektrisch effizient wird, beginnt sie sich abzukühlen und ‚stiehlt‘ Energie aus ihrer Umgebung, um sie in mehr Photonen umzuwandeln. In einigen Veröffentlichungen wird darauf hingewiesen, daß diese Entdeckung tatsächlich nicht am MIT, sondern am Ioffe Physico-Technical Institute in St. Petersburg erfolgte.

Quellen:
Santhanam, P.; Gray, D. J. jr. und Ram, R. J.: „Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency“ in Physical Review Letters, 27. Februar 2012, Vol. 108, 097403, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.097403; vgl.: „Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency“, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.108.097403

Auch wenn ich in den darauffolgenden Jahren keine weiteren ‚Overunity‘-Meldungen mehr gefunden habe (wobei ich denke, daß es eine gewisse Dunkelziffer gibt, da keineswegs alle internationalen Entdeckungen ihren Weg ins Netz finden), so gab es zumindest im Sommer diesen Jahres etwas Neues. Berichten vom September 2020 zufolge haben Forscher um Prof. Hele Savin an der Aalto University in Helsinki ein photovoltaisches Gerät entwickelt, das eine externe Quanteneffizienz von 132 % hat. Dies wurde mit nanostrukturiertem schwarzem Silizium in Form von Kegeln und Säulen erreicht und könnte einen großen Durchbruch für Solarzellen darstellen.

Als Erklärung wird angeführt, daß ein Photon des einfallenden Lichts, das auf das aktive Material – in diesem Fall Silizium – trifft, ein Elektron aus einem seiner Atome herausschlägt. Unter bestimmten Umständen kann ein hochenergetisches Photon aber auch zwei Elektronen herausschlagen, ohne gegen die Gesetze der Physik zu verstoßen. Zur unabhängigen Bestätigung ließ das Team diese Ergebnisse von der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) verifizieren. Die Forscher sagen, daß ihre Rekordeffizienz die Leistung praktisch jedes Photodetektors, einschließlich Solarzellen und anderer Lichtsensoren, verbessern könnte, und daß die neuen Detektoren bereits von der Firma Elfys Inc., einem Spin-off-Unternehmen der Universität, für die kommerzielle Nutzung hergestellt werden.

Quellen:
Savin, H. et al.: „Black-Silicon Ultraviolet Photodiodes Achieve External Quantum Efficiency above 130%“, Physical Review Letters 125, 117702, 8. September 2020, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.117702; vgl.: „Black silicon photodetector breaks the 100% efficiency limit“, Aalto University, 13.08.2020, https://www.aalto.fi/en/news/black-silicon-photodetector-breaks-the-100-efficiency-limit

Also denn: Allen eine fröhliche Zukunft, in der man sich über den (Denk-)Maskenzwang der vergangenen Dekaden hinwegsetzt!