Nanotechnologie
Smartphones, die sich selber aufladen
publiziert: Mittwoch, 15. Dez 2010 / 18:17 Uhr / aktualisiert: Freitag, 17. Dez 2010 / 09:07 Uhr
Brühwiler testet verschiedene Pigmente auf ihre Wirksamkeit als Luminiszenz-Konzentratoren.
Brühwiler testet verschiedene Pigmente auf ihre Wirksamkeit als Luminiszenz-Konzentratoren.

Der Zürcher Chemiker Dominik Brühwiler hat Farbpigmente entwickelt, mit denen Oberflächen jeder Form und Farbe für die Erzeugung von Solarstrom nutzbar gemacht werden können.

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Das eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel bei Smartphones.

Smartphones werden je länger je mehr zum unverzichtbaren Begleiter im Alltag. Doch ein Problem haben die Entwickler der Alleskönner bisher noch nicht gelöst: Als Energiefresser müssen die Smartphones immer wieder zum Aufladen an die Steckdose angeschlossen werden. Der Chemiker Dominik Brühwiler vom Anorganisch-chemischen Institut der Universität Zürich lässt frustrierte Smartphone-Besitzer hoffen: Er hat eine Beschichtung entwickelt, mit der die Handy-Oberfläche quasi zur Solarzelle wird.

Dabei produziert die Oberfläche zwar nicht direkt Strom, aber sie sammelt das Licht ein und leitet es an eine Solarzelle weiter. Diese kann irgendwo platzsparend im Innern des Geräts versteckt sein. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Solarzellen: Die Beschichtung kann auf alle möglichen Formen aufgebracht werden. Ein Gerät braucht keine grosse ebene Fläche mehr, die als Solarzelle genutzt werden kann. Zudem kann die Beschichtung in (fast) allen Farben hergestellt werden.

«ZeoFRET» heisst die von Brühwiler entwickelte und patentierte Technologie, die das Start-up-Unternehmen «Optical Additives» nun zu vermarkten versucht. Mit ihr könnten sich Smartphones künftig bis zu einem gewissen Grad ständig selber aufladen. «Allerdings», räumt Brühwiler ein, «brauchen die Geräte mehr Energie, als mit dem Licht, das auf ihrer Oberfläche absorbiert wird, erzeugt werden kann.» Das Anstecken an die Steckdose kann «ZeoFRET» also nicht ganz verhindern, aber sie kann es immerhin hinauszögern.

Leuchtende Ränder

«ZeoFRET» macht sich einen Effekt zunutze, den man beispielsweise von farbigen Plexiglasflächen kennt: an den Rändern scheinen diese regelrecht zu leuchten. Dies kommt daher, weil die Plexiglasscheibe als so genannter Lumineszenz-Konzentrator funktioniert. Das heisst, die Farbmoleküle im Innern der Scheibe strahlen das absorbierte Licht wieder ab. Weil jedoch Plexiglas einen höheren Brechungsindex hat als die umgebende Luft, bleibt das abgestrahlte Licht im Plexiglas teilweise gefangen. Es wird deshalb an die Ränder geleitet, wo es den Leuchteffekt erzeugt.

«Bereits in den siebziger Jahren versuchte man, Lumineszenz-Konzentratoren mit Solarzellen zu kombinieren», erklärt Brühwiler. Ziel war dabei, die hohen Kosten für die Solarzellen minimieren zu können. Anstelle einer grossen Fläche mit Solarzellen fängt ein vergleichsweise günstiger Lumineszenz-Konzentrator das Licht ein. Die Solarzellen werden dann am Rand dieses Verstärkers angebracht, wo sie das umgeleitete Licht in Elektrizität umwandeln. Eine solche Anlage braucht viel weniger Solarzellen, um das Licht einer bestimmten Fläche zu verwerten, als die herkömmliche Methode.

Das Konzept hat jedoch zwei Nachteile, die die Forschung damit bald wieder einschlafen liessen: Die Farbstoffe, die man für die Lumineszenz-Konzentratoren benötigt, sind zum Teil instabil, das heisst, sie verändern sich unter der Strahlung des Sonnenlichts – sie bleichen aus und verlieren ihre Wirkung. Zweitens sind normale Lumineszenz-Konzentratoren sehr ineffizient, weil das Licht, das von den Pigmenten abgestrahlt wird, von ihnen auch wieder absorbiert werden kann; Selbstabsorption heisst dieser Effekt. Bei jedem Absorptionsschritt geht dabei Licht verloren. Nur ein sehr geringer Teil des auf der Oberfläche gesammelten Lichts gelangt deshalb tatsächlich an die Ränder.

Aus Blau wird Rot

Hier setzt Brühwilers «ZeoFRET» an. Ihm ist es gelungen, die Selbstabsorption der Lumineszenz-Konzentratoren zu minimieren, indem die Pigmente das Licht in einer anderen Wellenlänge ausstrahlen, als sie selber effizient absorbieren können. So werden die Lichtverluste im Lumineszenz-Konzentrator reduziert und der grösste Teil des eingefangenen Lichts wird tatsächlich an die Ränder geleitet. Dort kann es durch eine Solarzelle aufgefangen werden.

Möglich machen diese Frequenzumwandlung des Lichts spezielle Aluminosilikat-Kristalle, so genannte Zeolithe. Diese rund einen Mikrometer grossen Kristalle besitzen in ihrem Inneren Tausende von kleinsten Kanälen mit einem Durchmesser von knapp einem Nanometer. In diesen winzigen Röhren kann Brühwiler Farbmoleküle quasi einzeln abfüllen. Die Moleküle leiten die Lichtenergie untereinander weiter. An jedem Ende des Nano-Röhrchens sitzt jeweils ein spezifisches Molekül, welches das eingefangene Licht in einer anderen Wellenlänge wieder abstrahlt.

Ist ein Nano-Röhrchen zum Beispiel mit blau-absorbierenden Farbpigmenten gefüllt, so sitzen am Ende jeweils Pigmente, die rotes Licht abstrahlen. Dieses wird im Lumineszenz-Konzentrator kaum absorbiert. «Wir versuchen, dass am Ende Licht nahe dem Infrarot-Bereich ausgestrahlt wird, also knapp an der Grenze des noch Sichtbaren», erklärt Brühwiler. «So können wir das Licht des ganzen sichtbaren Spektrums einsammeln.» Dies wiederum bedeutet, dass die Pigmente, die das Licht absorbieren, (fast) jede Farbe haben können. «Einzig Schwarz ist schwierig, weil es das gesamte sichtbare Licht absorbiert», so Brühwiler.

Die von Brühwiler behandelten Zeolith-Kristalle können verwendet werden wie Farbpigmente und zusammen mit einem Polymer einfach auf ein Trägermaterial – Glas oder Plexiglas – aufgetragen werden. Zahlreiche Glasplättchen in allen möglichen Farben in Brühwilers Labor zeugen von Versuchen mit unterschiedlichen Farbstoffen.

Interessierte Investoren

Brühwilers Forschung wurde bisher von der Förderagentur für Innovation des Bundes KTI finanziert. Dieser Beitrag läuft nun aus und es muss sich zeigen, ob sich «ZeoFRET» auch kommerziell durchsetzen kann. Interesse von Seiten der Smartphone-Hersteller ist vorhanden, erklärt Brühwiler. Um die Vermarktung kümmert er sich allerdings nicht selber, sondern das Start-up-Unternehmen «Optical Additives», das derzeit auf der Suche nach Investoren ist.

«Die Idee kommt bei den Investoren immer sehr gut an», erklärt Brühwiler. So hat es «Optical Additives» in den Final der «Swiss Equity Fair» geschafft, der morgen Donnerstag in Zürich stattfinden wird. Dort ergibt sich eine neue Gelegenheit, «ZeoFRET» interessierten Geldgebern vorzustellen. Wer weiss, vielleicht gehört das ständige Anschliessen der Smartphones an die Steckdose dank Brühwiler schon bald der Vergangenheit an.

(Theo von Däniken/Universität Zürich/pd)

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