Solartechnologie Neues Lichtsammelsystem kombiniert vier Farbstoffe für mehr Effizienz

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Durch Kombination von vier organischen Molekülen haben Forscher der Uni Würzburg ein leistungsstarkes Lichtsammelsystem kreiert. Während die Farbstoffe einzeln nur bis zu drei Prozent Lichtenergie in Fluoreszenz umwandeln, schafft das Gesamtsystem einen Wirkungsgrad von bis zu 38 Prozent.

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.

Vom Menschen entwickelte Lichtsammelsysteme sind in der Regel einfacher aufgebaut, haben dafür andere 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 decken kaum einen breiten Spektralbereich bei der Absorption ab und sind darum nicht sonderlich effizient.

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Kombinierte organische Farbstoffe für eine maximale Lichtabsorption

Forscher der Universität Würzburg haben nun ein neues Lichtsammelsystem namens URPB* entwickelt. Dieses System nutzt eine Kombination aus anorganischen Halbleitern und organischen Farbstoffen, um die Effizienz der Lichtabsorption und -umwandlung zu maximieren. Eng aufeinandergestapelte Lichtsammelantennen aus vier unterschiedlichen Merocyanin-Farbstoffen wandeln hier die Sonnennergie um.

^{*URPB steht für die Lichtwellenlängen, welche die vier Farbstoffkomponenten der Antenne absorbieren: U für ultraviolett, R für rot (red), P für violett (purple) und B für blau (blue).}

Das System ist in der Lage, nahezu das gesamte sichtbare Lichtspektrum zu absorbieren. Erreicht wird das durch eine dünne Schicht, welche aus den vier speziell angeordneten Merocyanin-Farbstoffen besteht. Diese Anordnung ermöglicht einen schnellen Energietransport innerhalb des Systems, was zu einer deutlich höheren Effizienz führt. Durch präzise Messungen der Fluoreszenz wurde nachgewiesen, dass das URPB-System in der Lage ist, 38 Prozent der eingestrahlten Lichtenergie in Fluoreszenz umzuwandeln. Die vier Farbstoffe für sich alleine schaffen dagegen weniger als ein Prozent bis maximal drei Prozent.

Breites Anwendungsfeld für das neue Lichtsammelsystem

Organische Farbstoffe sind für ihre hervorragenden Absorptionseigenschaften bekannt. Dabei können diese Licht in den verschiedensten Wellenlängenbereichen absorbieren. Durch die geschickte Kombination dieser Farbstoffe mit anorganischen Halbleitern konnten die Forscher ein System entwickeln, welches eine außergewöhnlich hohe Effizienz bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie aufweist. Darüber hinaus ist das URPB-System sehr vielseitig und kann verschiedene Anwendungsbereiche abdecken. Von der herkömmlichen Solarstromerzeugung bis hin zu speziellen Anwendungen in der Optoelektronik, sind verschiedene Szenarien denkbar. Angesichts der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen und der Notwendigkeit, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, bietet es eine vielversprechende Alternative zur herkömmlichen Solarzelle.

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

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