Solarenergie und Solartechnik sind eine nachhaltige und umweltschonende Methode der Energiegewinnung. Abgesehen von der Speicherung der so gewonnenen Energie ist auch die Effizienz dieser Methode noch ausbaufähig. Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung von Wissenschaftlern an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hat sich nun Pflanzen und deren „Solarzellen“ zum Vorbild genommen, um die Effizienz der Solarenergiegewinnung zu verbessern. Ihre Ergebnisse stellen die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Chemistry“ vor.

Mehr einfallende Energie durch Lichtantennen

Die Photosynthese ist ein ebenso komplexer wie essenzieller Prozess, der nicht zuletzt den von uns benötigten Sauerstoff produziert. Zu diesem Zweck nutzen Grünpflanzen, Algen sowie manche Bakterien mithilfe des grünen Farbstoffes Chlorophyll Sonnenlicht als Energiequelle. Das Chlorophyll nimmt die elektromagnetische Lichtenergie auf, wodurch chemische Reaktionen in Gang gesetzt werden. Diese finden im Kern von komplexen Proteinstrukturen statt, genannt Photosystem I und II. Damit diese komplexen Prozesse so effektiv wie möglich ablaufen, sind die Reaktionszentren der Photosysteme umringt von lichtabsorbierenden Farbstoffen. Diese „Lichtantennen“ vergrößern die Fläche, auf die die Lichtenergie auftreffen kann, und erweitern das Spektrum von nutzbaren Wellenlängen. Beides sind Voraussetzungen für eine günstige Energiebilanz. In der Natur gibt es etwa 30 Antennen pro Reaktionszentrum. Wissenschaft und Technik arbeiten schon lange daran, diese enorme Effizienzsteigerung nachzuahmen.

Netz aus lichtabsorbierenden Kristallen formen Sammelblock

Für ihren Ansatz haben Physiker der FAU um Dirk Guldi und seinem ehemaligen Mitarbeiter Konstantin Dirian nun insbesondere das Photosystem II genauer unter die Lupe genommen. 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. In dem selbstorganisierenden chemischen Prozess entstehen dann aus diesen „Kleinstkraftwerken“ zweidimensionale Lamellen. Schließlich formen diese übereinanderliegenden Schichten einen gemeinsamen Block, in dem sich die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Energie sammelt. 

Zwar ist dadurch die ideale räumlich-funktionelle Anordnung der natürlichen Photosysteme noch immer nicht vollständig erreicht, doch das Prinzip der Natur wird widergespiegelt und die Fähigkeit Licht einzufangen deutlich verbessert. Mithilfe dieser technischen Neuerung hoffen die Forschenden, die Effizienz der Solartechnik in naher Zukunft noch weiter auszubauen und der Pflanzen anzunähern.

jmr