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Solarzellen imitieren Pflanzen

Foto: FAU, Colourbox

Forscher wollen Solarzellen effizienter machen, indem sie Prozesse der Photosynthese in die Technologie der Zellen integrieren.

Energie gewinnen wie die Pflanzenwelt: diesem Ziel widmet sich ein internationales Team von Wissenschaftler. Erste Ergebnisse haben die Forscher jetzt in der Fachzeitschrift Nature Chemistry vorgestellt. Mit dabei sind auch Wissenschaftler des Lehrstuhls für Physikalische Chemie an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), die über den Stand der Dinge berichten.

Ziel ist, den Energieertrag deutlich zu erhöhen. Die Organismen machen das bei der Photosynthese mit eigenen Strategien vor. Demnach sind die kleinsten Bausteine der Kraftfabriken in Pflanzen wie Miniaturreaktoren aufgebaut,  die von Sammelstellen umhüllt sind, die Lichtquanten einfangen und an das Zentrum weiterleiten. Die enge Kopplung von Aufbau und Interaktion der Bestandteile erhöht die Ausbeute, so die FAU.


Wie die Wissenschaftler weiter erklären, nutzen Grünpflanzen, Algen und teils auch Bakterien das Sonnenlicht, indem Farbstoffe im Chlorophyll elektromagnetische Strahlung aufnehmen, die Elektronen zu chemischen Reaktionen anregt. Dies vollzieht sich im Kern von komplexen Proteinstrukturen, die als Photosysteme II und I bekannt sind. Die darin ablaufenden, von Katalysatoren vermittelten Prozesse sind nacheinander geschaltet. In einem ersten Schritt wird Sauerstoff aus Wasser freigesetzt; die folgende Reaktion bereitet den Aufbau von Kohlehydraten vor, wofür dann keine Energiezufuhr mehr nötig ist.


Die Reaktionszentren der Photosysteme sind umringt von lichtabsorbierenden Farbstoffen, die zu Sammelkomplexen gruppiert sind. Solche Lichtempfangsstationen oder Antennen vergrößern die Fläche, auf die Strahlung auftreffen kann, und erweitern das Spektrum von nutzbaren Wellenlängen, beides Voraussetzungen für eine günstige Energiebilanz. Etwa 30 Antennen umgeben jeweils einen Reaktorkern.
Kein Versuch von Wissenschaftlern, die Natur nachzuahmen, könne bisher annähernd damit konkurrieren, so das FAU. Meist werde nur ein Verhältnis von 1:1 erreicht: ein Molekül, das Licht absorbiert, in Kombination mit einem Katalysator zur Oxidation von Wasser.

Mit der Synthese von Modulen, die am Zusammenspiel von Struktur und Funktion in Photosystem II orientiert sind, strebt die Wissenschaftlergruppe um Professor Dirk Guldi und seinem ehemaligen Mitarbeiter Dr. Konstantin Dirian einen grundsätzlichen Wechsel in der Solartechnologie an. In den neu entwickelten Systemen lagern sich lichtabsorbierende Kristalle, wie sie in Leuchtdioden, Transistoren und Solarzellen bereits verwendet werden, zu einem Netz aus sechseckigen Waben um einen wasseroxidierenden Katalysator mit vier Ruthenium-Metallatomen im Zentrum. Die kompakten, stabilen Einheiten aus zwei Komponenten mit einer gemeinsamen Längsachse ähneln in einer vereinfachten Darstellung zylindrischen Batterien.

In dem selbst organisierenden chemischen Prozess entstehen aus solchen „Kleinstkraftwerken“ zweidimensionale Lamellen. Wie übereinander liegende Schichten einer Torte formen sie einen gemeinsamen Block, in dem sich die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Energie sammelt. Fünf wabenförmig aufgebaute Makromoleküle mit der Fähigkeit, Licht einzufangen, bilden um jeden Reaktorkern eine Hülle.

Es habe sich laut FAU gezeigt, dass diese kleinen Kraftpakete bei der Solarenergie-Ernte fleißig und erfolgreich sind. Der Wirkungsgrad liege bei über 40 Prozent, die Verluste sind niedrig. Auch Wellenlängen aus dem grünen Teil des Farbspektrums, den Pflanzen reflektieren, werden genutzt.

11.1.2019 | Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg  | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH

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