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Nanophotonik: Der Lichtfänger von München

Spektrum der Wissenschaft: Das Sonnenlicht als Energiequelle ist eine Zukunftsoption, die das Bundesministerium für Bildung und Forschung kräftig fördert. Allein 360 Millionen Euro stellt es dabei gemeinsam mit namhaften Industrieunternehmen für "organische Photonik" zur Verfügung. Was verbirgt sich hinter diesem Schlagwort?

Lukas Schmidt-Mende: Fotovoltaik, wie sie beispielsweise Hausbesitzer auf ihren Dächern installiert haben, verwendet den Halbleiter Silizium, um aus Licht Strom zu gewinnen. In organischen Solarzellen übernehmen Farbstoffe oder Polymere – also Kunststoffe – diese Aufgabe. Solche Zellen bestehen aus Folien, nicht aus Chips. Sie sind flexibel und hoffentlich auch deutlich günstiger zu fertigen.

Spektrum: Wie kommt nun die Nanotechnologie dabei ins Spiel?

Schmidt-Mende: Fällt Licht auf ein Farbstoffmolekül oder ein lichtaktives Polymer, werden Elektronen auf höhere Energieniveaus gehoben. Das aber ist erst die halbe Miete – sie bleiben im Molekül. Wir müssen sie in ein Leitungsband bringen, also in einen Zustand, in dem sie frei beweglich sind, denn nur dann fließt Strom. Bleiben wir mal bei den Farbstoffen. Die bringen wir beispielsweise auf Kügelchen aus Titandioxid auf, mit einem Durchmesser von gerade einmal 20 Nanometern. Die höheren Energieniveaus des Farbstoffs liegen so, dass ein Hinübertunneln der Elektronen in das Leitungsband der Halbleiterkügelchen energetisch günstig ist. Von dort können sie abgeleitet werden. Jetzt muss man noch dafür sorgen, dass die so genannten Löcher – also die Stellen im Farbstoffmolekül, an denen nun Ladung fehlt – wieder aufgefüllt werden, damit der Zyklus von Neuem beginnen kann. Als Elektronenspender fungiert meist ein Kunststoff namens Spiro-OMeTAD, der die Räume zwischen und oberhalb der beschichteten Nanokügelchen auffüllt. Trotz ihrer Komplexität ist die ganze Struktur oft nur ein tausendstel Millimeter dünn.

Spektrum: Schön und gut, aber lässt nicht noch der Wirkungsgrad zu wünschen übrig?

Schmidt-Mende: Kommerzielle Siliziumfotovoltaik setzt heute meist nur 12 bis 15 Prozent der einfallenden Lichtenergie in Strom um. Das kann man durchaus noch verbessern, dazu müssen die Halbleitermaterialien aber aufwändig und mit großem Energieeinsatz gereinigt werden. Das schraubt die Kosten immens in die Höhe. Organische Solarzellen erreichen zurzeit sogar nur knapp die Hälfte der möglichen Effizienz, ...

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