Photovoltaik: Photonenfusion hilft Solarzellen auf die Sprünge
Ein neuartiges Verfahren, das langwellige Lichtteilchen (Photonen) niedriger Energie in kurzwellige Photonen höherer Energie umwandelt, wurde entwickelt von einem Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz und dem Sony Materials Science Laboratory in Stuttgart. Durch die geschickte Kombination zweier lichtaktiver Substanzen konnten die Wissenschaftler erstmals gewöhnliches Licht, wie etwa Sonnenlicht, so beeinflussen, dass sich die Energie der Photonen bestimmter Wellenlängen addierte. Vergleichbares sei bislang nur mit Laserlicht hoher Energiedichte gelungen, berichtet das MPI für Polymerforschung in einer Pressemitteilung. Der hier erzielte Erfolg könnte den Grundstein für eine neue Generation effizienterer Solarzellen legen. Der Versuchsaufbau zum Nachweis der veränderten Wellenlänge (s. Foto) zeigt, wie das in eine Lösung eingestrahlte grüne Licht nach der Umwandlung als blaues Licht wieder austritt.
Mehr Energie für Photonen kann Wirkungsgrad von Solarzellen steigern
Der Wirkungsgrad heutiger Solarzellen ist unter anderem dadurch beschränkt, dass sie den langwelligen, energiearmen Teil des Sonnenlichts nicht verwerten können. Ein Verfahren, das die geringe Energie der Photonen des langwelligen Bereichs erhöht und damit ihre Wellenlänge verkürzt, würde auch die bislang verlorenen Teile der Lichtenergie für Solarzellen nutzbar machen. Dies könnte ihre Effizienz drastisch erhöhen. Entsprechendes erreiche man bislang nur mit Laserlicht hoher Energiedichte, das unter bestimmten Bedingungen zwei energiearme Photonen zu einem energiereichen vereinigt, gewissermaßen in einer Photonenfusion, so das MPI.
Gepaarte Photonen addieren Energie aus dem gesamten Sonnenspektrum
Die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und des Sony Materials Science Laboratory seien hierbei einen entscheidenden Schritt weiter gekommen. Mit dem entwickelten Verfahren sei es ihnen erstmals gelungen, Photonen aus gewöhnlichem Licht zu paaren und damit die Wellenlänge zu verändern. Sie nutzten zwei Substanzen (Platinoctaethylporphyrin und Diphenylanthracen), deren Lösung langwelliges, grünes Licht einer gewöhnlichen Lichtquelle in kurzwelliges, blaues Licht umwandelt. Analog zu den Vorgängen im Laserlicht werden auch hier Photonen gepaart, aber auf andere Weise. Während bei der Manipulation mit Laserlicht ein Molekül zwei Photonen aufnimmt, was nur im regelrechten „Photonenbombardement“ eines Laserstrahls wahrscheinlich ist, empfangen die Moleküle hier nur ein Photon. Die Vermittlung zweier „Photonpartner“ geschieht zwischen den Molekülen über einen anderen Mechanismus, die so genannte Triplett-Annihilierung. Durch die Wahl verschiedener, aufeinander abgestimmter Vermittler-Moleküle, kann die Energie von Photonen aus dem gesamten Sonnenspektrum addiert werden.
Die beiden von den Forschern als „Photonenvermittler“ entwickelten Substanzen haben ganz unterschiedliche Eigenschaften. Während die eine als „Antenne“ für grünes Licht dient (Antennen-Moleküle), paart die andere die Photonen, macht also aus zwei energiearmen, grünen Photonen ein energiereiches, blaues Photon, und sendet es als Emitter aus (Emitter-Molekül). Chemisch spannend sei der Vorgang, da für eine effiziente Energieübertragung die Moleküle fein aufeinander abgestimmt sein müssten und weder Antennen- noch Emitter-Molekül auf Schleichwegen ihre Energie verlieren dürften, heißt es in der Pressemitteilung. So galt es für die Forscher ein Antennen-Molekül zu synthetisieren, das langwelliges Licht absorbiert und dieses so lange speichert, dass die Energie auf einen Emitter übertragen werden kann. Dafür eignete sich nur eine komplexe, metallorganische Verbindung, die ein Platinatom in einem ringförmigen Molekül enthält. Das Emitter-Molekül wiederum muss in der Lage sein, die Energiepakete der Antenne zu übernehmen und diese zu halten, bis ein weiteres angeregtes Emitter-Molekül für die anschließende Photonenfusion gefunden ist.
Idealer Ausgangspunkt für effizientere Solarzellen
Da auf diese Weise bislang ungenutzte Anteile des Sonnenlichts für Solarzellen verwertbar gemacht werden, bietet dieses Verfahren den idealen Ausgangspunkt für effizientere Solarzellen, hoffen die Wissenschaftler. Um diesen Prozess zu optimieren und einer Anwendung näher zu bringen, erproben sie neue Substanzpaare für weitere Farben des Lichtspektrums und versuchen, diese in eine Polymermatrix zu integrieren.
20.10.2006 Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz Solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH
