Strom aus dem Display

Zwei Forschungsgruppen haben photovoltaische Polarisations- und Farbfilter entwickelt, die die geringe Energieeffizienz von LCDs verbessern sollen.

Die überwältigende Mehrheit aller Displays, die heute verkauft werden, sind LCDs. Dabei sind diese Flüssigkristallbildschirme enorm ineffizient: 95 Prozent der Lichtleistung der Hintergrundbeleuchtung werden von den Flüssigkristallen geschluckt - rund ein Drittel des Stroms in einem Laptop fließt deshalb in das Display. Zwei Forschungsgruppen wollen das Problem nun mit Beschichtungen lindern, die man als „photovoltaische Filter“ bezeichnen könnte.

In der Industrie sind LCDs nach wie vor erste Wahl, weil sie sich billig in großen Mengen produzieren lassen. Energieeffizientere Materialien waren bislang zu aufwändig in der Herstellung oder lieferten Bilder von zu schlechter Qualität. „LCDs mögen ineffizient sein, aber sie funktionieren“, sagt Jennifer Colegrove, Analystin bei der Beratungsfirma Display Search. Die Forscher an der University of California in Los Angeles (UCLA) und an der University of Michigan haben sich, unabhängig voneinander, die beiden Schwachstellen von LCDs vorgenommen: den Polarisations- und den Farbfilter.

Der Polarisationsfilter blockiert Licht derjenigen Polarisierung – der räumlichen Ausrichtung des elektromagnetischen Feldes von Licht –, die sich nicht mit den als Blende dienenden Flüssigkristallen in einem LCD-Pixel verträgt. Hierbei gehen bereits 75 Prozent des Lichts verloren, das von der Hintergrundbeleuchtung auf das Pixelmaterial fällt. Herkömmliche Farbfilter wiederum schlucken 67 Prozent des einfallenden Lichts.

Anstatt die Filter einfach nur zu optimieren, entwickelten die beiden Gruppen photovoltaische Varianten derselben. „Wir wollen die energiefressenden Komponenten in energiesparende verwandeln“, sagt Yang Yang, Materialwissenschaftler an der UCLA.

Yangs Team konstruierte eine Plastiksolarzelle so um, das sie zugleich als Polarisationsfilter dient. Das Verfahren ist denkbar einfach: Reibt man eine Seite der Solarzelle mit einem Stück Stoff, richten sich die Moleküle in der Zelle in dieselbe Richtung aus. Dadurch lassen sie nur Licht einer bestimmten Polarisierung passieren, während das restliche Licht von den Molekülen absorbiert und teilweise in Strom umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad des Prototypen beträgt drei bis vier Prozent.

Die Arbeit der Yang-Gruppe ist Teil eines auf drei Jahre angelegten Projekts, das vom Chiphersteller Intel finanziert wird. Im nächsten Schritt wollen sie den Prototyp des photovoltaischen Polarisators in ein handelsübliches Display einbauen. Mit Materialverbesserungen hofft Yang, den Wirkungsgrad auf zehn Prozent zu erhöhen.

Der photovoltaische Polarisator kann auch Umgebungslicht in Strom verwandeln. Auf diese Weise könnte er helfen, einen Handy-Akku zu laden, wenn das Gerät nicht benutzt wird, sagt Youssry Botros vom Intel Labs Academic Research Office.

Die Michigan-Gruppe um Jay Guo wiederum hat einen ähnlichen Ansatz für einen neuen Farbfilter verfolgt. Die Forscher arbeiteten dabei mit einem Filter, wie er in elektronischem Papier verwendet wird: Er besteht aus Subpixel-großen Elementen, die Umgebungslicht schlucken, aber jeweils nur rotes, blaues oder grünes Licht wieder abstrahlen.

Guos Team kombinierte einen solchen Filter mit einer Polymer-Solarzelle, die die im Material absorbierten Lichtwellenlängen in Strom verwandelt. Der Wirkungsgrad liegt derzeit bei zwei Prozent. Ein Display mit diesem photovoltaischen Farbfilter könnte eine Leistung von einigen zehn Milliwatt erbringen, schätzt Guo – genug, um einen Smartphone-Akku zu entlasten.

„Die Idee ist bestechend“, lobt Display-Entwickler Gary Gibson von den HP Labs in Palo Alto die Arbeit der Michigan-Gruppe. Wenn der neue Filter funktioniere, könnte Strom aus Umgebungslicht für eine Hintergrundbeleuchtung verwendet werden und so farbiges elektronisches Papier aufhellen, sagt Gibson.

Zum Nachlesen:
Zhu, Rui et al.: "Polarizing Organic Photovoltaics", Advanced Materials, 9.8.2011 (Abstract).
Park, Hui-Joon et al.:"Photonic Color Filters Integrated with Organic Solar Cells for Energy Harvesting", ACS Nano, 31.7.2011 (Abstract). (nbo)