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Wissenschaftler finden immer neue Wege der Energiegewinnung. Dies wird noch weiter zunehmen, denn der Energiebedarf steigt aufgrund des aktuellen Bevölkerungswachstums und der zunehmenden Verbreitung von Technologien auf der ganzen Welt. Das Hauptanliegen der meisten Wissenschaftler ist die Gewinnung großer Mengen an Energie sowie eine Verbesserung der Effizienz von existierenden Technologien, um mehr Energie aus der Natur zu gewinnen. Zugleich gibt es jedoch unter Wissenschaftlern eine wachsende Bewegung in der Nanotechnologie, die sich mit der Herstellung von nanoskaligen Anwendungen beschäftigt, mit denen kleine Mengen an Energie gewonnen werden. Die Frage mag naheliegen, worin der Zweck solch kleiner Geräte zur Energiegewinnung besteht. Sie haben jedoch signifikantes Potential, um selbstversorgende Prozesse in kleinen Geräten zu betreiben, zum Beispiel für Anwendungen in der Gesundheitsüberwachung, Umweltkontrolle, Funkübertragungen, Sensoren und Netzwerk-Anwendungen im Rahmen des Internet of Things (IoT).

Was sind Nanogeneratoren und wie generieren sie Elektrizität?

Die kurze Antwort ist, dass es sich um Geräte handelt, die mechanische oder thermische Energie durch eine physikalische Umwandlung innerhalb des Nanogerators in Elektrizität umwandeln. Es gibt drei Haupttechnologien für Nanogeneratoren:

• Piezoelektrik
• Triboelektrik
• Pyroelektrik

Die interne Struktur und die Mechanismen der Energiegewinnung sind jeweils unterschiedlich. Um zu verstehen wie sie funktionieren, müssen wir deshalb jeden von ihnen einzeln betrachten.

Piezoelektrische Nanogeneratoren

Piezoelektrische Nanogeneratoren konvertieren kinetische Energie in elektrische Energie, indem sie Materialien verwenden, die einen piezoelektrischen Effekt aufweisen – das heißt das Generieren einer elektrischen Ladung unter mechanischem Druck und/oder Verformung. Die Struktur dieser Anwendungen kann je nach verwendetem Material sehr unterschiedlich ausfallen. Es können viele verschiedene Materialtypen genutzt werden, von festen Materialien mit einer Wurtzit- oder Zinkblende-Struktur, über Perowskit-Materialien bis hin zu bestimmten Polymeren. Diese Materialien werden in Form von Nanodraht produziert und dann vertikal oder lateral auf einer Metallschicht aufgebracht, um einen Schottky-Kontakt zu erzeugen. Einige Nanodrähte können ebenfalls in eine Polymermatrix eingebettet werden. Unabhängig von der Struktur der Konstruktion sind alle Nanodrähte in einem Nanogenerator an jedem Ende mit Elektroden verbunden.

Da es verschiedene Möglichkeiten gibt, die aktiven piezoelektrischen Komponenten anzuordnen, gibt es mehr als einen funktionierenden Mechanismus. Jedoch funktioniert ein piezoelektrischer Nanogenerator normalerweise nach einem von zwei verbreiteten Mechanismen:

• Eine Kraft wird senkrecht auf jeden Nanodraht ausgeübt. In dieser Methode wird von einer beweglichen Spitze eine Kraft auf das piezolektrische Material ausgeübt. Diese Spitze verursacht eine Verformung auf dem piezoelektrischen Nanomaterial und erzeugt so ein elektrisches Feld. Die elastisch verformten Teile des Materials zeigen dann aufgrund der Verschiebung von Ionen innerhalb der Nanodrähte jeweils eine positive beziehungsweise negative elektrische Spannung auf. Da sich sowohl Kationen als auch Anionen verschieben, kommt es zu einer Trennung der Ladungen innerhalb des Nanodrahts bzw. der Nanodrähte. Dadurch wird auf der Oberfläche neben der Spitze eine elektrische Spannung generiert, während die gegenüberliegende Oberfläche als Erdung dient. Da eine Metallschicht neben den Nanodrähten als Schottky-Kontakt fungiert, wird die Bewegung der Elektronen erleichtert und elektrischer Strom erzeugt.

• Bei dem zweiten Mechanismus handelt es sich um einaxiale Druckbelastung. Dieses Vorgehen wird in Geräten verwendet, in denen die Nanodrähte an einem Ende mit einem Schottky-Kontakt und am anderen Ende mit einem ohmschen Kontakt verbunden sind. Wird Druckkraft auf ein Ende des Nanodrahts ausgeübt, so generiert dies ein negatives piezoelektrisches Potenzial am Schottky-Ende des Nanodrahtes. Dadurch erhöht sich das Fermi-Niveau an besagtem Ende des Nanodrahts. Elektronen fließen durch einen externen Schaltkreis vom oberen zum unteren Ende des Nanodrahts und es entsteht elektrischer Strom.

Triboelektrische Nanogeneratoren

Triboelektrische Nanogeneratoren sind Geräte, die externe mechanische Energie in elektrische Energie konvertieren. Dies funktioniert vorrangig nach zwei Prinzipien:

• Das erste Prinzip ist der triboelektrische Effekt. Der triboelektrische Effekt ist eine Art der Kontaktelektrifizierung. Das Material wird durch Reibungskraft elektrisch geladen.  

• Das zweite Prinzip ist elektrostatische Induktion. Elektrostatische Induktion bezeichnet die Verschiebung von elektrischen Ladungen auf einem Material aufgrund von umgebenden Ladungen.

Es gibt verschiedene Mechanismen, nach denen diese Nanogeneratoren funktionieren. Um nur einige Beispiele zu nennen:

• Durch mechanischen Druck und Entlastung werden Nanomaterialien elastisch verformt, sodass sich die Ladungen auf zwei verschiedene Materialien verteilen und ein elektrisches Feld erzeugen. So wird ein Elektronenfluss generiert.

• Zwei Nanomaterialien gleiten übereinander und erzeugen durch diese Reibung eine Wanderung von gleichen Ladungen zu den verschiedenen Nanomaterialien. So werden wieder ein elektrisches Feld und eine Elektronenwanderung erzeugt, um Strom zu generieren.

• Mit einer Elektrode wird eine bestimmte Ladung in einem Nanomaterial erzeugt. So werden entgegengesetzte Ladungen erzeugt, die die Wanderung von Elektronen von einem Material zu einem anderen bewirken und so Strom erzeugen.

Unabhängig von den spezifischen Mechanismen lässt sich zusammenfassen, dass zwei Nanoschichten – organischer oder anorganischer Natur – mit entgegengesetzten Tribo-Ladungen einen Ladungstransfermechanismus bewirken, der letzten Endes zum Aufbau eines elektrischen Feldes und der Wanderung von Elektronen zwischen den Nanomaterialien führt und so elektrischen Strom erzeugt.

Pyroelektrische Nanogeneratoren

Ein pyroelektrischer Generator nutzt pyroelektrische Materialien – also Materialien, die bei Temperaturveränderungen elektrischen Strom erzeugen – und wandelt so externe thermische Energie wie Hitze in elektrischen Strom um. Die in diesen Nanogeneratoren verwendeten Materialien fallen schmaler aus als in anderen Nanogeneratoren. Oft handelt es sich um ferroelektrische Materialien oder Feststoffe mit einer Wurtzit-Kristall-Struktur. Diese Materialien werden wiederum an jedem Ende mit Elektroden verbunden.

Es gibt zwei verschiedene Mechanismen, mit denen pyroelektrische Nanogeneratoren Strom erzeugen können: 

• Der erste Mechanismus beinhaltet keine physikalische Veränderung des Nanomaterials innerhalb der Nanogeneratoren, sondern die Bewegung der elektrischen Dipole. Die Ausrichtung dieser Dipole schwankt bei Raumtemperatur leicht. Bei erhöhter Außentemperatur (über Raumtemperatur) schwingen und bewegen sich diese Dipole jedoch mit einer viel höheren Frequenz. Dadurch sinkt wiederum die Anzahl der induzierten Ladungen in der Elektrode – z. B. von den Ladungen, die durch die Dipole im Nanomaterial entstehen. Diese Reduktion der Ladungen verursacht einen Elektronenfluss und generiert so Strom.

• Der zweite Mechanismus beinhaltet physikalische Veränderungen aufgrund einer Temperaturveränderung. In diesem Mechanismus dehnt sich das Nanomaterial bei erhöhter Umgebungstemperatur thermisch aus und verformt sich. Diese Verformung erzeugt ein piezoelektrisches Potenzialgefälle im Material, wodurch Elektronen in einen externen Schaltkreis wandern und so den Fluss von elektrischem Strom bewirken.

Fazit

Abschließend lässt sich festhalten, dass es viele verschiedene Arten von Nanogeneratoren gibt, die verschiedene Materialien und Mechanismen verwenden, um aus physikalischen Bewegungen oder thermischer Energie Elektrizität zu gewinnen. Mit diesen Geräten können nur geringe Mengen an Elektrizität gewonnen werden. Sie sind jedoch ausreichend, um kleine entfernte Anwendungen zu betreiben, die daher nicht auf externe Stromquellen angewiesen sind. Dies hat großes Potential für künftige Anwendungen zur Fernüberwachung oder für Teile von IoT-Netzwerken.