Versuchsaufbau

Solarenergie: Aus grün mach blau

Mit einem neuartigen Verfahren, langwelliges Licht in energiereicheres kurzwelliges umzuwandeln, sorgte kürzlich eine Forschergruppe des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz und des Stuttgarter Sony Materials Science Center für Aufsehen: Aus grünem Licht wird blaues.

Ein mit einer durchsichtigen Flüssigkeit gefüllter Glasquader, der grünes Licht streut, steht schräg im Bild. An der Seite links oben ein weißer Lichtreflex.
Versuchsaufbau

Langwellige Photonen niedriger Energie in Lichtteilchen mit Wellenlängen höherer Energie zu überführen, war bislang meist nur mit Laserlicht möglich. Das neue Verfahren beruht auf dem Zusammenspiel zweier optisch aktiver Moleküle, die auch gewöhnliches Licht, zum Beispiel Sonnenlicht, umwandeln können. Damit könnte das Verfahren „die Effizienz heutiger Solarzellen drastisch erhöhen“, so Stanislav Baluschev, Projektleiter der Mainzer Gruppe.

Die Grundlage bildet eine Lösung von Molekülen, zum Beispiel Diphenylanthracen, die sich gut zu Fluoreszenz anregen lassen und dabei blaues Licht aussenden. Damit verschiedene Wellenlängenbereiche aufgenommen werden können, werden der Lösung geringe Mengen einer Empfänger-Komponente beigemischt. Diese Absorber-Moleküle speichern die gesammelten Photonen vorübergehend und geben sie dann an die fluoreszierende Komponente weiter. Hier vereinigen sich in einem spontanen Prozess zwei dieser Photonen, wodurch die Moleküle in einen energiereichen Zustand versetzt werden. Kurz darauf fällt das Molekül zurück in den energiearmen Grundzustand und sendet dabei ein Photon blauer Wellenlänge aus. Im Experiment wurde so die Energie zweier grünwelliger Photonen in einem blauen Photon zusammengeführt, d.h. die Wellenlänge von 550 auf 450 Nanometer gestaucht.

Grafische Darstellung der Energieumwandlung: Auf ein stilisiertes netzartig dargestelltes Moleküle trifft von links oben und links unten jeweils ein grünes Photon, als Wellenzug markiert. Pfeile weisen auf zwei weitere, kleinere, antennenförmige blaue Moleküle. Von diesen aus geht ein blaues Photon, wieder als Wellenzug mit kleinerer Wellenlänge dargestellt.
Die Energieübertragung im Schema

Das Verfahren ist jedoch nicht auf grünes Licht beschränkt, sondern lässt sich durch Variation der Empfänger-Komponente auch für andere Frequenzen nutzen. Diese besteht aus einem komplexen Ringsystem mit einem Metallatom – zum Beispiel Platin – ähnlich der Porphyrin-Einheit im Chlorophyll. Die Art des Metalls bestimmt dabei maßgeblich die Wellenlänge des absorbierten Lichts. Im Prinzip könnte damit – durch gezielte Wahl eines geeigneten Metalls – die gewünschte Wellenlänge absorbiert werden. So ist die Verschiebung von rot nach gelb – von etwa 700 auf 580 Nanometer – bereits gelungen.

Dadurch wird es denkbar, auch den langwelligen Spektralbereich des Sonnenlichts mit Wellenlängen über 1100 Nanometer, der aus physikalischen Gründen für heutige Solarzellen nicht zugänglich ist, nutzbar zu machen und so ihren Wirkungsgrad deutlich zu steigern. Dazu müsste das Verfahren allerdings schon bei geringeren Lichtintensitäten und einem Wirkungsgrad der Lichtumwandlung von mehr als 10 anstelle von jetzt 1 bis 5 Prozent funktionieren.