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Abb. 1:
Versuchsaufbau zum
Nachweis der veränderten Wellenlänge. Das in die Lösung
eingestrahlte grüne Licht tritt nach der Umwandlung als blaues
Licht wieder aus.
Bild: Max-Planck-Institut für Polymerforschung
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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 Lichtteilchen (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 erreicht man bislang nur mit Laserlicht hoher
Energiedichte, das unter bestimmten Bedingungen zwei energiearme
Photonen zu einem energiereichen vereinigt, quasi in einer
Photonenfusion.
Die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung und
des Sony Materials Science Laboratory sind hierbei einen
entscheidenden Schritt weiter gekommen. Mit dem entwickelten Verfahren
gelang es ihnen erstmals, 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 man die Energie von Photonen
aus den gesamten Bereich des Sonnenspektrums addieren.
Die beiden von den Forschern als "Photonenvermittler" entwickelten
Substanzen haben ganz unterschiedliche Eigenschaften. Während die eine
als "Antenne" für grünes Licht dient (Antennen-Moleküle), paar die
andere die Photonen, macht also aus zwei energiearmen, grünen Photonen
ein energiereiches, blaues Photon, und sendet es als Emitter aus
(Emitter-Molekül).
Im Detail geschieht folgendes: Zunächst nimmt das Antennen-Molekül ein
grünes, energiearmes Photon auf und gibt es als Energiepaket an das
Emitter-Molekül weiter. Beide Moleküle speichern die Energie
nacheinander in so genannten angeregten Zuständen. Anschließend
reagieren zwei der Energie-beladenen Emitter-Moleküle miteinander,
wobei das eine Molekül sein Energiepaket auf das andere überträgt.
Danach ist ein Molekül im energiearmen Grundzustand. Das andere
hingegen erreicht einen sehr energiereichen Zustand, der das doppelte
Energiepaket speichert. Dieser Zustand zerfällt rasch wieder unter
Aussendung des großen Energiepakets in Form eines blauen Photons.
Obwohl dieses Lichtteilchen kurzwelliger und energiereicher ist als
das anfangs eingestrahlte grüne Licht, wird unterm Strich keine
Energie erzeugt, sondern vielmehr wird die Energie von zwei Photonen
auf eines vereint.
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Abb. 2: Schematische
Darstellung der Energieübertragungen. Das Antennen-Molekül (grün
mit rotem Platin) empfängt die grünen Photonen (hν = Lichtenergie)
und überträgt sie auf die Emitter-Moleküle (blau). Anschließend
wird ein blaues Photon ausgesendet.
Bild:
Max-Planck-Institut für Polymerforschung |
Chemisch spannend ist der Vorgang, da für eine effiziente
Energieübertragung die Moleküle fein aufeinander abgestimmt sein
müssen und weder Antennen- noch Emitter-Molekül auf Schleichwegen ihre
Energie verlieren dürfen. 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.
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.
[AJ]
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