Seit Millionen von Jahren gewinnen Pflanzen Energie aus der Photosynthese. Dieser komplexe biochemische Prozess wird von zwei großen Proteinen gesteuert: den Photosystemen (PS) I und II. Diese natürlichen Photosynthese-Proteinkomplexe sind auch das Herzstück in Biosolarzellen. Sie ermöglichen die Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in chemisch gebundene Energie. Eine besondere Rolle spielt dabei das PSII, das Wasser als Elektronenquelle für die Stromerzeugung nutzen kann. Der Grünanteil des Sonnenlichts war bisher aber nicht nutzbar. Diese sogenannte Grünlücke haben Wissenschaftler der Ruhr-Universität in Bochum (RUB) um Marc Nowaczyk und Volker Hartmann sowie vom Israel Institute of Technology in Haifa um Noam Adir nun geschlossen. Wie das Team im Fachjournal Journal of Materials Chemistry berichtet, kombinierten sie dafür das PSII mit Lichtsammelproteinen aus Cyanobakterien namens Phycobilisomen.

Stabile Superkomplexe schließen Grünlücke

Im Gegensatz zum PSII anderer Organismen können Cyanobakterien mit Hilfe der Lichtsammelproteine auch grünes Licht nutzen. „Cyanobakterien haben das Problem dadurch gelöst, dass sie spezielle Lichtsammelproteine, die Phycobilisomen, bilden, die auch dieses Licht nutzbar machen", erklärt Marc Nowaczyk, Leiter der Projektgruppe Molekulare Mechanismen der Photosynthese an der RUB. Was in der Natur problemlos funktioniert, ist dem Team um Nowaczyk nun erstmals auch im Labor gelungen.

Die Wissenschaftler schufen dafür stabilisierte Superkomplexe, in denen sie die Proteine dicht beieinander dauerhaft fixierten. Anschließend brachten sie diese in Elektrodenstrukturen ein. „Diese Herausforderung konnten wir durch maßgeschneiderte, dreidimensionale und zugleich transparente Elektroden in Kombination mit redoxaktiven Hydrogelen meistern“, so Studienautor Volker Hartmann.

Effizienz der Biosolarzelle gesteigert

Auf diese Weise gelang es den Forschern erstmals, eine Zweikomponenten-Bioelektrode zu entwickeln, die doppelt so viele Photonen innerhalb der „Grünlücke" nutzt und damit die Effizienz biologischer Solarzellen deutlich steigern könnte. Als nächstes stehen die Verbesserung von Herstellung und Lebensdauer der biologischen Komponenten auf dem Plan.

bb/MaK