Raffinierter Aufbau: Chemiker haben ein neuartiges Lichtsammelsystem entwickelt, mit dem Sonnenenergie künftig noch effizienter genutzt werden könnte. Dafür verwendeten sie vier photoaktive Farbstoffe und stapelten sie ähnlich übereinander wie die Photosynthese-Farbstoffe in den Zellorganellen von Pflanzen und Bakterien angeordnet sind. In dieser Kombination absorbieren die Stoffe zusammen besonders viel Licht.
Strom aus Sonnenlicht ist ein wichtiges Standbein der Energiewende. Solaranlagen sollen in den kommenden Jahren daher stetig ausgebaut werden. In unserem Alltag wandeln bereits verschiedenste Geräte Sonnenenergie in andere Energieformen um. Die meisten Photovoltaik-Systeme enthalten Halbleiter wie Perowskit oder Silizium, die einen Großteil des sichtbaren Lichtspektrums absorbieren und in elektrische Energie umwandeln können. Doch Perowskit ist schlecht haltbar und Silizium-Systeme sind nicht besonders effizient.
Um genug Lichtenergie aufzunehmen, sind daher in den Paneelen mehrere Siliziumschichten gestapelt. Die Solarzellen werden dadurch allerdings sperrig und schwer. Eine deutlich schlankere und leichtere Alternative wären organische Solarzellen auf Basis photoaktiver Farbstoffe. Doch diese absorbieren nicht den gesamten Spektralbereich des Lichts und sind ebenfalls nicht sonderlich effizient.
Farbstoff-Mix nach Vorbild der Natur
Ein Team um Alexander Schulz von der Universität Würzburg hat jetzt ein neues Lichtsammelsystem entwickelt, das diese Mankos umgeht. Dafür bauten die Chemiker einen Molekülkomplex nach dem Vorbild der Lichtsammelantennen von Pflanzen und Bakterien. Diese fangen für die Photosynthese ein breites Lichtspektrum ein, leiten die Energie intern weiter und bündeln sie auf einen zentralen Punkt. Möglich macht dies ein komplexer und im Zuge der Evolution optimierter Aufbau aus vielen unterschiedlichen Farbstoffen, darunter Chlorophylle, Carotine und Biline.
Ähnlich ist auch das neue Lichtsammelsystem von Schulz und seinen Kollegen aufgebaut. Es besteht aus vier verschiedenen Merocyanin-Farbstoffen, die in einem zickzackförmig gefalteten Grundgerüst aus Peptiden eingebaut und dadurch eng aufeinandergestapelt sind. Diese Anordnung der Moleküle ermöglicht einen schnellen Energietransport innerhalb des Systems. Zudem absorbieren die vier Farbstoffe ultraviolettes (U), rotes (R), lilafarbenes (P) und blaues (B) Licht und damit ein breites Spektrum an Wellenlängen von 500 bis 700 Nanometern. Ihrem Prototypen haben die Forschenden entsprechend den Namen URPB gegeben.
Hohe Effizienz dank gekoppelter Farbstoffe
Um die Effizienz ihrer künstlichen Antenne zu ermitteln, haben Schulz und seine Kollegen gemessen, wie viel überschüssige Energie das System in Form von Fluoreszenz abgibt. Das ermöglicht Rückschlüsse auf die Menge an Lichtenergie, die es zuvor eingesammelt hat. Die Farbstoff-Kombination verwandelt demnach 38 Prozent der eingestrahlten Lichtenergie in Fluoreszenz, wie die Chemiker berichten. Allein schaffen die vier Farbstoffe hingegen jeweils maximal drei Prozent.
Die räumliche Anordnung der Farbstoffe im Stapel ermöglicht demnach chemische Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen und macht das System dadurch effizienter. Dies könnte künftige Solarzellen leistungsfähiger machen und so eine höhere Stromausbeute bei der Photovoltaik ermöglichen.
„Das Beste zweier Welten“
Nach Ansicht der Forschenden vereint ihre Technik das Beste aus zwei Welten: „Unser System weist eine Bandstruktur ähnlich wie in anorganischen Halbleitern auf. Damit absorbiert es panchromatisch über den gesamten sichtbaren Bereich“, erklärt Seniorautor Frank Würthner. „Und es nutzt die hohen Absorptionskoeffizienten organischer Farbstoffe. Damit kann es, ähnlich wie die natürlichen Lichtsammelsysteme, in einer verhältnismäßig dünnen Schicht sehr viel Lichtenergie aufnehmen.“
Die neue Technik könnte daher organische Solarzellen leistungsfähiger machen und künftig dünnere und leichtere Solarpaneele mit hoher Effizienz ermöglichen. (Chem, 2024; doi: 10.1016/j.chempr.2024.05.023)
Quelle: Universität Würzburg
