Solartechnologie: Neuartiges effizientes Lichtsammelsystem

Die Strukturformeln der vier Merocyanin-Farbstoffe (links), die in gestapelter Anordnung (rechts) das neue Lichtsammelsystem URPB ergeben.
(c) Alexander Schulz / Universität Würzburg

Auf dem Weg zur effizienteren Nutzung von Sonnenenergie melden Würzburger Forschende des bayerischen Verbunds Solar Technologies Go Hybrid einen Fortschritt: Sie haben ein innovatives Lichtsammelsystem entwickelt.

Um Sonnenlicht möglichst gut in elektrischen Strom oder andere Energieformen umwandeln zu können, braucht es als allerersten Schritt 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 sehr dicke, bis in den Mikrometerbereich reichende Siliziumschichten erforderlich – Solarzellen werden 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

Forschende der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg stellen im Fachjournal Chem jetzt ein innovatives Lichtsammelsystem vor, das sich von den bisherigen deutlich unterscheidet.

„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 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.

Vier Farbstoffe in ausgeklügelter Anordnung

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 über Fluoreszenz nachgewiesen

Dass ihr neuartiges Lichtsammelsystem so gut funktioniert, haben die Forschenden über die sogenannte Fluoreszenzquantenausbeute nachgewiesen. Dabei wird gemessen, 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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Frank Würthner, Institut für Organische Chemie, Center for Nanosystems Chemistry, Universität Würzburg, wuerthner@uni-wuerzburg.de

Originalpublikation:

Panchromatic Light-Harvesting Antenna by Supramolecular Exciton Band Engineering for Heteromeric Dye Foldamer. Alexander Schulz, Rebecca Fröhlich, Ajay Jayachandran, Franziska Schneider, Matthias Stolte, Tobias Brixner, and Frank Würthner. Chem, 26. Juni 2024, Open Access: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.05.023

https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/lichtsammelantenne-urpb/

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Robert Emmerich Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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