von RALF BUTSCHER
Es ist ein recht unscheinbares, ungefähr fingernagelgroßes Plättchen, das die Technologien der Erzeugung und Speicherung von Energie auf neue Beine stellen könnte: eine Zelle aus ultradünnen Kohlenstoffnitrid-Schichten – einer chemischen Verbindung von Kohlenstoff und Stickstoff. Die Probe, die Andreas Gouder auf einem Labortisch am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) präsentiert, schimmert in einem fahlen gelben Ton. Den Wissenschaftler in der Abteilung für Nanochemie interessiert vor allem die Frage: Was geschieht mit dem Material, wenn es durch Sonnenlicht angeregt wird – verhält es sich wie eine typische Solarzelle oder ein Lichtabsorber, der nur die Elektronen „tanzen“ lässt, oder setzt es auch die darin enthaltenen Ionen in Bewegung, wie eine Batterie?
In einem simplen Versuch ist die Folge dieses Zusammenwirkens von ionischem Material und Licht direkt zu erkennen: Das zuvor gelbe Plättchen färbt sich im Licht allmählich blau. „Das ist ein Zeichen dafür, dass das Material Licht bestimmter Wellenlängen absorbiert“, erläutert Gouder. Das bewirkt die Entstehung beweglicher Elektronen und Löcher – sogenannte Defektelektronen, wo zuvor vorhandene Elektronen fehlen. Was folgt, ist ein Partnerwechsel: die Löcher werden entfernt, und die Elektronen und Ionen ziehen sich an. Damit haben wir eine Solarzelle aus organischem Material. Mehr noch: Diese Solarzelle erzeugt nicht nur Strom, sie ist auch ein Lichtspeicher – dank der im Material enthaltenen Ionen.
Eine erstaunliche Kombination
Denn das Phänomen, das ihn und seine Teamkollegen am meisten fesselt, offenbart sich erst, wenn die Beleuchtung abgeschaltet wird. Dann verschwindet die blaue Farbe nicht etwa wieder, sondern sie bleibt über eine lange Zeit erhalten. „Das zeigt: Hier ist etwas gespeichert worden“, erläutert Gouder. „Es ist zu einer Stabilisierung der Ladung gekommen – wie in einer Batterie.“ Die Blaufärbung des Materials unter Beleuchtung, die nach Abschalten des Lichts bestehen bleibt, war ein Zufallsfund. Er führte zu einem Forschungsthema, das Bettina Lotsch, Direktorin am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und Professorin an der Ludwig-Maximilians-Universität München, angestoßen hat und das seitdem die Wissenschaftler elektrisiert.
Denn es schafft die Möglichkeit, Solarzelle und Batterie in einem einzigen Objekt zu verwirklichen – zwei technische Systeme, die sich bislang nur zusammenbringen ließen, indem sie als separate und unabhängig voneinander wirkende Komponenten miteinander verbunden wurden. „Bei der Kombination beider Funktionen in ein und demselben Bauteil sprechen wir von einer ‚Solarbatterie‘“, sagt Simon Krause, der eine Forschungsgruppe im Team von Bettina Lotsch am MPI-FKF leitet.
