Elektriciteit uit licht op nieuwe wijze

De unieke eigenschappen van metaal
“Het grote verschil tussen zonnecellen en het plasmo-elektrische effect is het gebruikte materiaal. Zonnecellen bestaan uit halfgeleiders, terwijl wij gebruik maakten van de unieke eigenschappen van metalen”, zegt Polman. Metaal is een bijzondere stof omdat de elektronen zich niet sterk binden aan de kern, waardoor metaal veel vrije elektronen heeft die heen en weer bewegen. Andere stoffen hebben deze eigenschappen niet.

Door de samenstelling van metalen bestaat er een speciale relatie tussen lichtstralen en het metaal waar het licht op schijnt. Lichtenergie wordt omgezet tot ‘plasmonen’: trillingen van de vrije elektronen in het metaal.Deze elektronen zweven als een wolk om de kern heen. Plasmonen spelen een belangrijke rol in de optische eigenschappen van metalen: ze absorberen en reflecteren bepaalde kleuren van het lichtspectrum, dat wil zeggen licht van verschillende kleuren.

Eerder onderzoek toonde al aan dat je met een extern elektrisch veld de trillingen van plasmonen in het metaal kan beïnvloeden. Veranderingen in de dichtheid van plasmonen leiden tot een verschuiving van het lichtspectrum van bijvoorbeeld blauw naar rood. Het onderzoeksteam ontdekte dat het ook andersom kan: door verschillende golflengtes van licht aan te bieden kun je plasmonentrillingen zo veranderen dat ze elektrische spanning veroorzaken.

Polman: “Dit is een geheel nieuwe manier om licht om te zetten in elektriciteit. We hebben aangetoond dat we een elektrische spanning kunnen genereren; de volgende stap is om te zien of we ook stroom kunnen verzamelen en zo elektrisch vermogen opwekken”.

Het plasmo-elektrische effect
De onderzoekers gebruikten gouden nanobolletjes om de edelmetaaldeeltjes na te bootsen. Een ultra-gevoelige naald hing boven de belichte bolletjes om de opgewekte spanning te meten. Ze beschenen de bolletjes met verschillende lichtspectra en vonden een oppervlakte spanning die samenhing met de golflengte van het licht. Negatieve elektrische spanning ontstond bij belichting met blauw licht en een positieve elektrische spanning ontstond bij belichting met rood licht. “Je kunt het vergelijken met een batterij: die heeft ook een negatieve en positieve pool”, zegt Jorik van de Groep, een van de onderzoekers van het AMOLF-team.

Elektrische spanning
Na de eerste succesvolle resultaten testten de onderzoekers het plasmo-elektrisch effect op grote schaal. Ze maakten hiervoor een vierkant rooster met miniscule gaatjes in een dunne gouden film. De gaatjes veroorzaken net als edelmetaaldeeltjes plasmonentrillingen. Een speciale laser straalde een geconcentreerde lichtbundel uit in verschillende kleuren. Door de kleur van het licht geleidelijk van blauw naar rood te veranderen ontstaat er eerst een spanning van -100mV bij blauw licht, en daarna een positieve spanning van +100mV bij rood licht.

Het nieuwe mechanisme kan echter nog niet concurreren met zonnecellen. De onderzoekers zijn er namelijk nog niet in geslaagd om echt stroom te creëren. Polman: “Dit is pas de eerste stap, namelijk laten zien dat er spanning ontstaat. Met deze spanning kun je bijvoorbeeld wel simpele elektrische schakelingen maken zoals in computerchips. De vraag is of je ook echt stroom kunt creëren op deze manier. Dit gaan we nog verder onderzoeken”.