Um Sonnenlicht möglichst gut in elektrischen Strom oder andere Energieformen umwandeln zu können, braucht es ein effizientes Lichtsammelsystem. Dieses sollte im Idealfall panchromatisch sein, also das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts absorbieren. Ein Vorbild hierfür sind die Lichtsammelantennen der Pflanzen und Bakterien. Diese fangen für die Photosynthese ein breites Lichtspektrum ein, sind allerdings im Aufbau sehr komplex und brauchen viele unterschiedliche Farbstoffe, um die Energie des absorbierten Lichts weiterzuleiten und auf einen zentralen Punkt zu bündeln.

Auch die vom Menschen bislang entwickelten Lichtsammelsysteme haben Nachteile. Anorganische Halbleiter wie Silizium sind zwar panchromatisch, absorbieren das Licht aber nur schwach. Um genug Lichtenergie aufzunehmen, sind darum bis in den Mikrometerbereich reichende Siliziumschichten erforderlich. Solarzellen aus Silizium sind dadurch relativ sperrig und schwer. Organische Farbstoffe, die sich für Solarzellen eignen, kommen deutlich schlanker daher. Ihre Schichtdicke beträgt nur um die 100 Nanometer. Aber sie schaffen es kaum, einen breiten Spektralbereich zu absorbieren, und sind darum nicht sonderlich effizient.

Dünne Schicht nimmt sehr viel Lichtenergie auf

Das neue Lichtsammelsystem  der Forscher:innen der Universität Würzburg unterschiedet sich von den bisherigen deutlich. „Unser System weist eine Bandstruktur ähnlich wie in anorganischen Halbleitern auf. Damit absorbiert es panchromatisch über den gesamten sichtbaren Bereich. 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“, sagt Chemieprofessor Frank Würthner. Sein Team vom Institut für Organische Chemie am Zentrum für Nanosystemchemie hat das Lichtsammelsystem konzipiert und gemeinsam mit der Gruppe von Professor Tobias Brixner vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie erforscht.

Die innovative Lichtsammelantenne aus Würzburg besteht, vereinfacht gesagt, aus vier unterschiedlichen Merocyanin-Farbstoffen, die gefaltet und eng aufeinandergestapelt sind. Die ausgeklügelte Anordnung der Moleküle ermöglicht innerhalb der Lichtantenne einen ultraschnellen und effizienten Energietransport. Die Forschenden haben dem Prototypen des neuen Lichtsammelsystems den Namen URPB gegeben. Die Buchstaben stehen für die Lichtwellenlängen, die von den vier Farbstoffkomponenten der Antenne absorbiert werden: U für ultraviolett, R für red (rot), P für purple (violett), B für blue (blau).

Leistungsfähigkeit vom Lichtsammelsystem über Fluoreszenz nachgewiesen

Dass ihr neuartiges Lichtsammelsystem so gut funktioniert, haben die Forschenden über die sogenannte Fluoreszenzquantenausbeute nachgewiesen. Dabei messen sie, wie viel Energie das System in Form von Fluoreszenz abgibt. Das ermöglicht Rückschlüsse auf die Menge an Lichtenergie, die es zuvor eingesammelt hat. Resultat: Das System verwandelt 38 Prozent der über einen breiten Spektralbereich eingestrahlten Lichtenergie in Fluoreszenz – die vier Farbstoffe für sich alleine schaffen dagegen weniger als ein Prozent bis maximal drei Prozent. Die richtige Kombination und geschickte räumliche Anordnung von Farbstoffmolekülen im Stapel machen also einen großen Unterschied aus.

Quelle: Universität Würzburg | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH