Gepaarte Photonen

Mit Hilfe eines neuen Verfahrens lässt sich langwelliges Licht einer gewöhnlichen Lichtquelle in kurzwelliges überführen.

Ein neuartiges Verfahren, das langwellige Photonen niedriger Energie in kurzwellige Photonen höherer Energie umwandelt, wurde von einem Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz und dem Sony Materials Science Laboratory in Stuttgart entwickelt. Durch die geschickte Kombination zweier lichtaktiver Substanzen konnten die Wissenschaftler erstmals gewöhnliches Licht, wie etwa Sonnenlicht, so manipulieren, dass sich die Energie der Photonen bestimmter Wellenlängen addierte. Vergleichbares gelang bislang nur mit Laserlicht hoher Energiedichte. Der hier erzielte Erfolg könnte den Grundstein für eine neue Generation effizienterer Solarzellen legen.

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)

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 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), paart 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.

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.

Quelle: MPG/[AJ]

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  S. Balouchev, T. Miteva, V. Yakutkin, G. Nelles, A. Yasuda und G. Wegner, Up-Conversion Fluorescence: Noncoherent Excitation by Sunlight, Physical Review Letters, 97, 143903 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.143903
• Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.:
  http://www.mpg.de
• Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz:
  http://www.mpip-mainz.mpg.de