Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz haben den grünen Spektralbereich des Sonnenlichts in den höherenergetischen blauen Bereich verschoben. Dazu setzten sie eine Kombination zweier verschiedener Moleküle ein, die Photonen des grünen Lichts absorbieren und deren Energien zu Photonen im blauen Bereich des Spektrums kombinieren konnten. Die Wissenschaftler hoffen, auf diese Weise die Photonen des niederenergetischen Bereichs des Sonnenlichts für die Umwandlung in nutzbare Energie in Solarzellen einsetzen zu können.
Das Herzstück des von Stanislav Baluschev und seinen Kollegen verwendeten Prinzips besteht aus einem so genannten nichtlinearen Absorptionsprozess, in dem zwei Photonen von einem Molekül praktisch gleichzeitig absorbiert werden. Dadurch wird eines der Elektronen des Moleküls auf ein höheres Energieniveau angehoben, als nur durch die Absorption eines einzelnen Photons möglich wäre. Wenn das Elektron wenige Sekundenbruchteile später in seinen Grundzustand zurückfällt, wird die gespeicherte Energie in Form eines einzelnen Photons abgegeben, dessen Energie der Energie der beiden ursprünglichen Photonen entspricht.
Somit können also zum Beispiel zwei Photonen im niederenergetischen Bereich des sichtbaren Spektrums in ein einzelnes Photon in dem energiereicheren blauen Bereich umgewandelt werden. Allerdings gelingt dies in der Regel nur mit sehr starken Lichtstrahlen, da ansonsten niemals zwei Photonen quasi gleichzeitig absorbiert werden. Aus diesem Grunde mussten derartige Experimente bisher mit Laserlicht durchgeführt werden.
Die Mainzer Forscher haben dieses Kunststück nun mithilfe eines Tricks mit gewöhnlichem Sonnenlicht geschafft. Dazu setzten sie zwei verschiedene Arten von Molekülen ein: Die eine Sorte absorbierte Photonen im grünen Bereich des Spektrums und gab diese Energie dann direkt an die zweite Sorte weiter. Einmal angeregt, verblieben diese Moleküle so lange in ihrem angeregten Zustand, dass sie selbst Energie untereinander austauschen konnten.
Auf diese Weise wurden einige der Moleküle der zweiten Sorte mit einer Energie angeregt, deren Ursprung zwei Photonen des grünen Lichts waren. Nach einer Zeitspanne von etwa fünf Millisekunden wurde diese Energie dann von jedem der doppelt angeregten Moleküle in Form von blauem Licht abgegeben.
Die Ausbeute dieses Vorgangs ist zwar mit etwa einem Prozent relativ klein ? für 100 Photonen im grünen Bereich wurde nur ein blaues Photon abgegeben ?, und zudem musste die Intensität des Sonnenlichts mittels Linsen um etwa zwei Größenordnungen verstärkt werden. Die Forscher glauben aber, dass ihr Konzept den für Solarzellen zur Energieumwandlung zur Verfügung stehenden Spektralbereich erweitern kann. Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke des aktiven Bereichs der Solarzelle könnten somit mittels der Moleküle in Photonen umgewandelt werden, die dann von der Zelle absorbiert werden.
Physical Review Letters, Bd. 97, Artikel 143903 Stefan Maier
