Solarzellen mit Selbstheilungskraft

Forscher imitieren die Regeneration pflanzlicher Blätter, um die Lebensdauer organischer Solarzellen zu erhöhen.

Pflanzen gelingt es mittels Photosynthese aus Sonnenlicht nutzbare Energie zu gewinnen. Dieser Prozess ist in der Natur in Jahrmillionen als Ergebnis der Evolution entstanden. Wissenschaftler, die versuchen dieses Prinzip technologisch nutzbar zu machen, stoßen immer wieder auf Probleme. Denn die Energie der Sonnenstrahlen wirkt auf viele Materialien zerstörerisch. Der Preis für die Nutzung solaren Stromes ist deshalb häufig ein nachlassender Wirkungsgrad und eine beschränkte Lebensdauer von Solarzellen.

Die Pflanzenwelt hat im Lauf ihrer Entwicklung einen geschickten Mechanismus entwickelt, um diesem Schicksal zu entgehen: ein Teil der lichtsammelnden Moleküle wird permanent abgebaut und dann aus seinen Bestandteilen neu erzeugt. Das sorgt für kontinuierlichen Nachschub an Licht erntenden Komplexen in den Blättern. Im Prinzip hat die Pflanze ständig nagelneue "Photokollektoren" zur Verfügung.

Dieser Prozess konnte nun von Michael Strano und seinem Team am Massachusetts Institute of Technology erfolgreich nachgeahmt werden. Die Forscher haben eine Gruppe selbstorganisierter Moleküle gefunden, die sich eigenständig zusammensetzen und Licht in elektrischen Strom umwandeln können. Die Moleküle können mehrfach abgebaut und wieder zusammengesetzt werden – dazu muss lediglich eine bestimmte Lösung zugesetzt oder wieder entfernt werden.

Die Idee dazu hatte Strano bei der Lektüre eines Buches über Pflanzenbiologie. "Ich war ehrlich beeindruckt von dem äußert effizienten Reparaturmechanismus, den Pflanzen besitzen", so der Wissenschaftler. Bei stärkster sommerlicher Sonneneinstrahlung "erneuert ein Blatt eines Baumes seine Proteine alle 45 Minuten, auch wenn man es sich eher wie eine statische Photozelle vorstellt." Als Auslöser für diese Wiedergeburt der Proteine dient bei der Photosynthese in Pflanzen eine reaktive Form von Sauerstoff. Sie wird ebenfalls vom Sonnenlicht erzeugt und verursacht einen zielgenauen Abbau der Moleküle. Deren Abbauprodukte bilden aber umgehend neue Licht absorbierende Moleküle und halten so den Photosyntheseprozess am laufen – man hat es hier mit einer Art dynamischem Gleichgewicht zu tun. Dieser Vorgang findet in den Chloroplasten statt, kleinen Kapseln, die sich in jeder Pflanzenzelle befinden und Kohlendioxid mithilfe von Licht in Glukose umwandeln. Glukose dient als Energiespeicher im pflanzlichen Metabolismus.

Um diesen Prozess nachzuvollziehen, erzeugte das Team um Strano synthetische Phospholipide, die Scheiben bilden. Diese Scheiben dienten als stabiler Unterbau für die eigentlich photoaktiven Moleküle. Diese besitzen sogenannte Reaktionszentren, die bei Einstrahlung von Photonen Elektronen abgeben können. Die mit den Photomolekülen bestückten Phospholipidscheiben befinden sich in einer Lösung, die Kohlenstoff-Nanotubes enthält. Durch spontane Selbstorganisation verbinden sich die Scheiben mit den Nanotubes. Die Nanoröhren sorgen dafür, dass sich die Lipid-Scheiben gleichmäßig ausrichten und somit alle Reaktionszentren zugleich der Sonnenstrahlung ausgesetzt werden. Zudem fungieren sie dank ihrer hervorragenden elektrischen Leitfähigkeit als Drähte für die ausgelösten Elektronen.

Die selbsterzeugenden "Solarzellen" bestehen aus insgesamt sieben Zutaten, die sich unter bestimmten Bedingungen wie gewünscht zusammenfügen. Wird dem Lösungsgemisch ein spezielles Tensid zugesetzt, lösen sich die komplexen Molekülaggregate in ihre Bausteine auf. Es reicht aber das Tensid mittels einer Membran heraus zu filtern, und die "Photozelle" fügt sich wieder zusammen. Strano und seine Kollegen haben ihren Prototyp schon einem 14-stündigen Testlauf von Zerstörung und Wiederaufbau ausgesetzt, ohne dabei einen Effizienzverlust festzustellen.

Die einzelnen Reaktionen dieser neuen Molekülstruktur zeigen eine Effektiviät von etwa 40 Prozent bei der Umwandlung von Sonnen- in elektrische Energie. Damit wären sie etwa doppelt so effizient wie die aktuell besten kommerziellen Solarzellen. Und laut Strano sei mit dem System eine Ausbeute von nahezu 100 Prozent vorstellbar. Dazu müsse im nächsten Schritt allerdings die Konzentration der Moleküle in der Lösung deutlich erhöht werden.

Massachusetts Institute of Technology / Philipp Hummel