Solarzellen sollen einen möglichst großen Teil der Wärmestrahlung, des sichtbaren und des ultravioletten Lichts in Strom umwandeln. Je besser die Anpassung der Solarmodule an das Sonnenspektrum klappt, desto eher kann der Wirkungsgrad von heute etwa 16 Prozent bei kommerziellen Siliziumzellen gesteigert werden. Mainzer Chemiker vom Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung fanden nun mehr oder weniger zufällig spezielle Makromoleküle, die genau dieses Ziel näher rücken lassen.

Photonenübertragung zwischen Molekülen

Mainz - "Wir wollen keine neue Solarzelle basteln, sondern bestehende Module mit einer zusätzlichen Schicht verbessern helfen", sagt MPI-Forscher Stanislav Balouchev. Und diese Schicht, die vor dem eigentlichen Modul platziert werden kann, soll aus zwei Lichtteilchen mit geringer Energie eines mit einer besser verwertbaren höheren Energie machen. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Sony Materials Science Laboratory in Stuttgart hat genau dieser Trick der so genannten "up-Conversion" mit normalem Sonnenlicht geklappt. Andere Gruppen schafften diesen Prozess bisher nur mit stark gebündeltem Laserlicht.

Wie Balouchev und Kollegen in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" erklären, fangen große Moleküle mit einem edlen Metallkern aus Platin oder Palladium (Platinoctaethylporphyrin) grüne Lichtteilchen ein. Je zwei dieser Photonenfänger reichen ihre Energie an zwei weitere Moleküle -- Diphenylanthracen -- weiter. Danach reagieren diese miteinander und übertragen die komplette Energie gebündelt auf nur ein einziges Molekül. So angeregt, sendet es ein blaues Lichtteilchen mit höherer Energie aus. "Das blaue Licht kann man sogar mit dem Auge sehen", sagt Balouchev.

"Das ist ein schöner Erfolg der Grundlagenforschung", sagt Gerhard Willeke vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg. Aber eine mögliche Anwendung liege noch in weiter Ferne. Das weiß auch Balouchev. Denn interessant wird der Mainzer Umwandlungsprozess erst, wenn bisher von Silizium-Solarzellen ungenutzte Wärmestrahlung zu roten, grünen oder blauen Licht konvertiert wird. Aber genau das hält Balouchev mit kleinen Anpassungen der Makromoleküle für möglich. Erste Versuche mit der Energiebündelung von roten auf grün-blaue Lichtteilchen verliefen bereits erfolgreich. "Und prinzipiell gibt es keine Begrenzung", sagt der MPI-Forscher.

Sobald die Umwandlung von Infrarot-Licht im Labor funktioniert, kann sich auch Willeke erste Versuche mit den lichtfangenden Makromolekülen vorstellen. Denn das Prinzip der up-conversion wird derzeit am ISE genau untersucht. Aber viele Materialien, die energiearme Lichtteilchen einfangen und energiereiche aussenden, gibt es nicht. Willeke setzt bisher auf Werkstoffe auf der Basis der Elementgruppe der Seltenen Erden. Genauer will er die Materialien nicht beschreiben. Eingelagert in eine Schicht hinter einer Solarzelle sammeln diese das ungenutzte Licht ein, wandeln es in nutzbares um und schicken es über Spiegel gelenkt wieder in die Solarzelle zurück.

Aber bis diese Technik heutige Wirkungsgrade nennenswert steigern kann, werden noch einige Entwicklungsjahre nötig sein. Deutsche Forscher stehen weltweit mit an der Spitze dieses Trends. Und um an dem potenziellen Markt in Zukunft vertreten zu sein, lassen sich die MPI-Forscher zusammen mit Sony ihre lichtwandelnden Moleküle bereits patentieren.