Forscher aus Würzburg, die an der bayerischen Initiative Solar Technologies Go Hybrid arbeiten, berichten über Fortschritte bei der Nutzung von Solarenergie: Sie haben ein innovatives System zur Lichtsammlung entwickelt. Um Sonnenlicht effizient in elektrische Energie oder andere Energieformen umzuwandeln, ist der erste Schritt ein effizientes Lichtsammlungssystem. Idealerweise sollte dieses System panchromatisch sein, das heißt, es sollte das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts absorbieren. Natürliche Modelle hierfür sind Lichtsammlungsantennen in Pflanzen und Bakterien. Sie fangen ein breites Lichtspektrum für die Photosynthese ein, sind jedoch sehr komplex in der Struktur und erfordern viele verschiedene Farben, um die Energie des absorbierten Lichts an den zentralen Punkt zu übertragen. Auch von Menschen entwickelte Lichtsammlungssysteme haben Nachteile: Obwohl anorganische Halbleiter wie Silizium panchromatisch absorbieren, absorbieren sie Licht nur schwach. Sehr dicke Siliziumschichten im Mikrometerbereich sind erforderlich, um genügend Lichtenergie zu absorbieren, was Solarzellen relativ sperrig und schwer macht. Für Solarzellen geeignete organische Farbstoffe sind viel dünner: Ihre Schichtdicke beträgt nur etwa 100 Nanometer. Sie können jedoch kaum ein breites Lichtspektrum absorbieren und sind daher nicht besonders effizient.

Dünne Schicht absorbiert viel Lichtenergie
Forscher der Julius-Maximilians-Universität (JMU) in Würzburg, Deutschland, haben im Journal Chem ein innovatives Lichtsammlungssystem vorgestellt, das sich erheblich von bisherigen Systemen unterscheidet. "Unser System hat eine Bandstruktur ähnlich der von anorganischen Halbleitern. Das bedeutet, dass es Licht panchromatisch über den gesamten sichtbaren Bereich absorbiert und die hohen Absorptionskoeffizienten organischer Farbstoffe nutzt. Dadurch kann es eine große Menge Lichtenergie in einer relativ dünnen Schicht absorbieren, ähnlich wie natürliche Lichtsammlungssysteme", sagt der JMU-Chemieprofessor Frank Würthner. Sein Team vom Institut für Organische Chemie / Zentrum für Nanosystemchemie hat das Lichtsammlungssystem an der JMU entworfen und zusammen mit der Gruppe von Professor Tobias Brixner vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie untersucht.

Vier Farben in einer genialen Anordnung
Einfach ausgedrückt besteht die innovative Lichtsammlungsantenne aus Würzburg aus vier verschiedenen Merocyanin-Farbstoffen, die gefaltet und nah beieinander angeordnet sind. Die komplexe Anordnung der Moleküle ermöglicht einen ultraschnellen und effizienten Energietransfer innerhalb der Antenne. Die Forscher haben dem Prototyp des neuen Lichtsammlungssystems den Namen URPB gegeben. Die Buchstaben stehen für die Wellenlängen des Lichts, die von den vier Farbstoffkomponenten der Antenne absorbiert werden: U für ultraviolett, R für rot, P für purpur und B für blau.

Bewiesene Leistung durch Fluoreszenz
Die Forscher haben nachgewiesen, dass ihr neues Lichtsammlungssystem so gut funktioniert, indem sie die sogenannte Fluoreszenzquantenausbeute gemessen haben. Dies beinhaltet die Messung, wie viel Energie das System in Form von Fluoreszenz emittiert. Dies kann Rückschlüsse auf die Menge der zuvor gesammelten Lichtenergie des Systems zulassen. Ergebnis: Das System wandelt 38 Prozent der ausgestrahlten Lichtenergie in Fluoreszenz über ein breites Spektralband um - die vier Farben für sich genommen erreichen dagegen weniger als ein Prozent bis maximal drei Prozent. Die richtige Kombination und geschickte räumliche Anordnung der Farbmoleküle in der Schicht machen einen großen Unterschied.

Quelle: Fakultät für Chemie und Pharmazie, Würzburg