Der sprunghaften technischen Weiterentwicklungen der letzten Jahrzehnte zum Trotz weisen Photovoltaikanlagen heute noch eine deutlich geringere Effizienz auf als theoretisch möglich. Das liegt hauptsächlich an der begrenzten Fähigkeit der Solarzellen, das gesamte Spektrum des Sonnenlichts auszunutzen.
Das Sonnenlicht besteht bekanntlich aus einem breiten Spektrum von Wellenlängen, von denen das für das menschliche Auge sichtbare Licht nur einen kleinen Teil ausmacht. Auch Standard-Silizium-Solarzellen sind lediglich in der Lage, einen Teil des Lichtspektrums effektiv zu konvertieren. Wellenlängen im ultravioletten und infraroten Bereich werden entweder reflektiert oder erzeugen nur geringe elektrische Energie, was im Prinzip einem Energieverlust gleichkommt.
Lichtsammelsysteme: Am besten panchromatisch
Um Sonnenlicht möglichst gut in elektrischen Strom oder andere Energieformen umwandeln zu können, braucht es zu allererst ein effizientes Lichtsammelsystem. Dieses sollte im Idealfall panchromatisch sein, also das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts absorbieren.
Als Vorbild hierfür dienen Lichtsammelantennen von Pflanzen und Bakterien. Diese fangen für die Photosynthese ein breites Lichtspektrum ein. Sie sind allerdings vom Aufbau her sehr komplex und benötigen viele verschiedene Farbstoffe, um die Energie des absorbierten Lichts weiterzuleiten und auf einen zentralen Punkt zu bündeln.
Schlank, aber wenig effizient
Auch die vom Menschen entwickelten Lichtsammelsysteme haben bislang Nachteile. Anorganische Halbleiter wie Silizium sind zwar panchromatisch, absorbieren das Licht aber nur schwach. Sehr dicke, bis in den Mikrometerbereich reichende Siliziumschichten sind darum erforderlich, um genug Lichtenergie aufzunehmen. Das macht Solarzellen relativ sperrig und schwer.
Deutlich schlanker kommen für Solarzellen geeignete organische Farbstoffe daher. Ihre Schichtdicke beträgt nur um die 100 Nanometer. Doch sie schaffen es kaum, einen breiten Spektralbereich zu absorbieren, weshalb sie nicht besonders effizient sind. Ein Würzburger Forscherteam des bayerischen Verbunds Solar Technologies Go Hybrid vermeldet jetzt allerdings einen Fortschritt.
Innovative Lichtsammelantenne aus Würzburg
Die innovative Lichtsammelantenne der Julius-Maximilians-Universität (JMU) 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.
Der Prototyp des neuen Lichtsammelsystems erhielt den Namen URPB, das steht für die Lichtwellenlängen, die von den vier Farbstoffkomponenten der Antenne absorbiert werden (ultraviolett, rot, violett und blau). Dass das neuartige Lichtsammelsystem gut funktioniert, wurde über die sogenannte Fluoreszenzquantenausbeute nachgewiesen. Hierbei wird gemessen, wie viel Energie das System in Form von Fluoreszenz abgibt, was Rückschlüsse auf die zuvor eingesammelte Menge an Lichtenergie ermöglicht.
Dünne Schicht nimmt sehr viel Lichtenergie auf
Das Resultat der Untersuchung: 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.
„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“, erklärt JMU-Chemieprofessor Frank Würthner. Sein Team vom Institut für Organische Chemie / Zentrum für Nanosystemchemie hat das Lichtsammelsystem an der JMU konzipiert und gemeinsam mit der Gruppe von Professor Tobias Brixner vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie erforscht.
Weitere Informationen:
Institut für Organische Chemie, Center for Nanosystems Chemistry, Universität Würzburg
www.chemie.uni-wuerzburg.de/cnc/
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Unser Titelbild entstand unter Zuhilfenahme von künstlicher Intelligenz.
