Photosynthese mit ultrakurzen Laserpulsen erforschen

Forscher wollen von Pflanzen und Bakterien lernen, wie sie Solarzellen verbessern können

Veröffentlicht am: Montag, 21. Dezember 2015, 16:01 Uhr (339)

FRANKFURT. Dass man die großen biochemischen Systeme, mit denen Pflanzen Photosynthese betreiben, heute versteht, ist maßgeblich der genauen Aufklärung ihrer Struktur zu verdanken. Die dafür wichtigsten experimentellen Methoden sind an der Goethe-Universität und den Frankfurter Max-Planck-Instituten vertreten. 1988 erhielt Prof. Hartmut Michel für die Aufklärung des photosynthetischen Reaktionszentrums von Purpurbakterien den Nobelpreis für Chemie. In der neuen Ausgabe des Forschungsmagazins „Forschung Frankfurt“ berichten Physiker und Biologen über aktuelle Forschung und mögliche Anwendungen für die Solartechnologie.

Die Evolution hat über viele Millionen Jahre das Konzept der Photosynthese optimiert und an verschiedene Organismen und deren spezifische Lebensbedingungen angepasst. Die auf dem Blattgrün Chlorophyll basierenden Systeme zeichnen sich durch eine herausragende Quantenausbeute von nahezu 100 Prozent aus. Bei den Retinal-basierten Systemen, die den lichtemfpindlichen Rezeptoren im Auge verwandt sind, ist die Ausbeute mit etwa 60 Prozent etwas geringer, dafür sind Retinale aber mit ihrem Bauprinzip universell einsetzbar. Der typische Wirkungsgrad einer kommerziellen Solarzelle auf Siliziumbasis beträgt dagegen nur circa 20 Prozent.

Licht trennt Ladungen

Alle künstlichen Photovoltaik- oder biologischen Photosynthese-Systeme wandeln Licht in elektrische Energie um: Ein absorbiertes Photon transportiert einen Ladungsträger (Elektron oder Proton) und trägt damit zum Aufbau eines elektrochemischen Potenzials über die Zellmembran bei. In der künstlichen Photovoltaik kann die entstehende Spannung direkt benutzt werden, um beispielsweise ein elektrisches Gerät zu betreiben, während sie bei biologischen Organismen zur Synthese energiereicher biochemischer Verbindungen genutzt wird. Die Echtzeitbeobachtung dieser ultraschnellen, lichtinduzierten Ladungstrennung und das daraus resultierende molekulare Verständnis der Photoreaktionen in natürlichen Systemen ist ein zentrales Forschungsthema der Arbeitsgruppe von Prof. Josef Wachtveitl.

Die eigentliche Umwandlung der Lichtenergie in elektrische Energie geschieht im Reaktionszentrum. Es ist meist von ausgedehnten Antennenkomplexen umgeben, die lichtempfindliche Farbstoffe (Chromophore) enthalten. Ihre Aufgabe ist es, Licht möglichst effektiv zu absorbieren und die elektronische Anregungsenergie schnell zum Reaktionszentrum weiterzuleiten, bevor sie in Form von Fluoreszenz oder als Wärme verloren geht. Tatsächlich geschehen die Energietransferschritte ultraschnell, und zwar in wenigen Pikosekunden (das entspricht der Dauer von wenigen Molekülschwingungen).

Die eigentliche Ladungstrennung geschieht in der Zellmembran in einem mehrstufigen Prozess. Dessen Einzelschritte sind in den letzten 30 Jahren durch verschiedene experimentelle Methoden aufgeklärt worden, wobei die von der Arbeitsgruppe Wachtveitl verwendete Anreg-Abtast-Spektroskopie mit ultrakurzen Lichtimpulsen im Zeitbereich weniger Femtosekunden (das entspricht dem Zeitbereich von Elektronenbewegungen im Atom) eine zentrale Stellung einnimmt.

Alternativen zur siliziumbasierten Solarzelle

Die kommerzielle Nutzung der Ladungstrennung nach Lichtabsorption wird derzeit durch die klassischen kristallinen Halbleitersolarzellen oder Dünnschichtsolarzellen dominiert. Parallel dazu werden vielversprechende neue Konzepte zur künstlichen Photosynthese erforscht, die auf der Kombination von nanokristallinen Materialien mit Farbstoffmolekülen basieren. Hier ist das vielleicht bekannteste Beispiel die Grätzelzelle. Diese photochemische Photovoltaikzelle besteht aus einem gesinterten, porösen Film aus Titandioxid, an dem Chromophore angelagert sind, und einem Elektrolyt. Nach Lichtabsorption wird ein Elektron vom angeregten Chromophor zur TiO2-Schicht transferiert, sodass sich ein elektrisches Potenzial zwischen den beiden Elektroden aufbaut. Der Elektrolyt gleicht die Ladung des ionisierten Chromophors wieder aus, womit der Stromkreis geschlossen ist.

Die Grätzelzelle orientiert sich an der Photosynthese. Aber obwohl der primäre Elektrontransfer sogar noch schneller ist als in der Natur, gilt es, den Wirkungsgrad und die Langzeitstabilität noch zu verbessern. „Basierend auf diesem Konzept können die Materialien variiert werden“, erklärt Prof. Josef Wachtveitl vom Institut für Physikalische Chemie der Goethe-Universität. Insbesondere ist es möglich, die Chromophore durch Halbleiternanopartikel zu ersetzen, die sehr stabil gegen Photodegradation sind. „In unserer Gruppe werden aktuell Quantenpunkte auf ihre Eignung für diesen Einsatz getestet“, fügt Wachtveitl hinzu.

Ebenfalls in der aktuellen Ausgabe von Forschung Frankfurt:

Prof. Claudia Büchel: Photosynthese zwischen Überfluss und Mangel. Wie Kieselalgen sich Lichtintensitäten anpassen.

Kieselalgen können auf hocheffiziente Weise Energie aus dem Sonnenlicht gewinnen. So überleben sie selbst lange Dunkelphasen im Meer. Doch wie schützen sie sich vor zu viel Strahlung, wenn Wind und Strömung sie in seichtes Wasser oder an die Oberfläche treiben? Dahinter steckt ein cleverer Regulations-Mechanismus.

Informationen: Prof. Josef Wachtveitl, Institut für Physikalische Chemie, Campus Riedberg, Tel.: (069) 798-29351; wveitl@theochem.uni-frankfurt.de.

Forschung Frankfurt im Web: www.forschung-frankfurt.uni-frankfurt.de/

Journalisten können Forschung Frankfurt kostenlos bestellen bei Helga Ott: ott@pvw.uni-frankfurt.de.