Yahoo Nachrichten Wie Photosynthese - Deutsche Forscher kurbeln mit Farbstoff-Trick die Leistung von Solarzellen an
Effizientere Solarmodule sind ein Schlüssel für die Energiewende. Chemiker haben dafür jetzt ein ausgeklügeltes Lichtsammelsystem nach dem Vorbild der Natur entwickelt.
Wissenschaftler der Universität Würzburg um Alexander Schulz haben ein neuartiges Lichtsammelsystem für Solarzellen entwickelt, das der natürlichen Fotosynthese nachempfunden ist. Durch die Kombination von vier organischen Farbstoffen in einem speziellen Aufbau gelingt es, Sonnenlicht besonders effizient einzufangen und in Energie umzuwandeln. Die Forschungsergebnisse könnten den Weg zu leistungsfähigeren und kostengünstigeren Solarmodulen ebnen, wie „Scinexx“ berichtet.
Die meisten Photovoltaik-Anlagen arbeiten derzeit mit anorganischen Halbleitern wie Silizium oder Perowskit, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Doch diese Materialien haben einige Nachteile: Perowskit ist nicht langlebig und Silizium-Solarzellen erreichen nur eine begrenzte Effizienz . Um genügend Licht einzufangen, müssen Silizium-Paneele daher aus mehreren Schichten aufgebaut werden, was sie sperrig und schwer macht.
Eine vielversprechende Alternative sind organische Solarzellen auf Basis spezieller Farbstoffe. Allerdings haben auch diese bisher Schwächen: Sie decken nicht das gesamte Lichtspektrum ab und arbeiten ebenfalls bislang nicht optimal.
Ausgeklügeltes Farbstoff-System als Lösung
Genau hier setzt die Entwicklung der Würzburger Chemiker an. Sie kombinierten vier verschiedene organische Farbstoffe, sogenannte Merocyanine, zu einem neuartigen Lichtsammelsystem. Dieses ist einem zickzackförmig gefalteten Peptid-Gerüst eingebaut, sodass die Farbstoffmoleküle eng übereinandergestapelt sind. Durch diese spezielle Anordnung ergeben sich Wechselwirkungen zwischen den Farbstoffen, die den Energietransport beschleunigen. Zudem decken die vier Komponenten Ultraviolett, Rot, Lila (engl. „Purple“) und Blau gemeinsam einen großen Teil des sichtbaren Lichtspektrums von 500 bis 700 Nanometern Wellenlänge ab. Den vielversprechenden Prototyp haben die Forscher passenderweise „URPB“ getauft.
Bei der Entwicklung des Lichtsammelsystems ließen sich Schulz und Kollegen von der Natur inspirieren. Denn Pflanzen und einige Bakterien nutzen für die Fotosynthese verwandte Systeme: In ihren Chloroplasten, also die für die Fotosynthese zuständigen Zellen, und anderen Zellorganellen stapeln sie verschiedene Farbstoffe wie Chlorophyll, Carotine und Biline übereinander. So können sie ein breites Lichtspektrum einfangen , die Energie effizient weiterleiten und auf einen zentralen Punkt konzentrieren. Diese Lichtsammelantennen wurden im Laufe der Evolution perfektioniert – und dienten nun als Blaupause für das künstliche Pendant.
Effizienztest des URPB-Systems überzeugt
Um die Leistungsfähigkeit des URPB-Systems zu testen, analysierten die Forscher die Fluoreszenz. Diese zeigt, wie viel der eingestrahlten Lichtenergie vom System aufgenommen und in Form von Fluoreszenzlicht wieder abgegeben wird. Das Ergebnis: Beeindruckende 38 Prozent der Lichtenergie werden in Fluoreszenz umgewandelt. Zum Vergleich: Die einzelnen Farbstoffe schaffen für sich genommen gerade einmal maximal drei Prozent. Die gekoppelte Anordnung der Farbstoffe macht das Lichtsammelsystem also um ein Vielfaches effizienter. Integriert in Solarzellen könnte es damit deren Leistung und Stromausbeute deutlich verbessern.
Das neue Lichtsammelsystem vereint laut den Forschern die Vorteile anorganischer und organischer Photovoltaik-Materialien. So weist es eine ähnliche Bandstruktur auf wie anorganische Halbleiter und kann Licht über das gesamte sichtbare Spektrum aufnehmen. Gleichzeitig nutzt es aber die hohen Absorptionskoeffizienten der organischen Farbstoffe.
