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Mit Festkörperphysik und Optik kann man mich eigentlich jagen, umso bemerkenswerter dass ich diese Meldung über weiterentwickelte Solarkonzentratoren spannend fand. Auf den ersten Blick - auf den zweiten ist mein Interesse an einem Verfahren dass die Effizienz und Kosten von Solarzellen erheblich verbessern könnte doch so groß, dass sich dafür auch ein Blick auf ein bißchen Optik und Molekülspektroskopie lohnt.
In ihrem Science-Artikel berichten die Forscher über ihre Weiterentwicklung einer Idee aus den 70er-Jahre, die “luminescent solar concentrator (LSC)” getauft war. Man gibt einen Farbstoff in ein transparentes Medium, das mit gutem Überlapp zum Sonnenspektrum Photonen absorbiert. Die eingefangenen Photonen werden wieder isotrop (gleichmäßig in alle Raumrichtungen abgestrahlt) und durch die Reflektionseigenschaften des Mediums im Medium zu den Enden transportiert. Das senkrecht einfallende Licht wird also praktisch in der Ebene zu den Enden transportiert, wo dann die Solarzellen sitzen. Funktionieren kann dies, wenn man fluoreszierende Farbstoffe verwendet:
Betrachtet man ein einzelnes Atom, so ist die absorbierte Wellenlänge gleich der ausgesandten. In einem Molekül aber kann es durch Energieabgabe an Molekülschwingungen zu einer Verschiebung kommen, sodass Photonen mit kleinerer Energie abgegeben werden. Kleinere Energie je Photon ist gleichbedeutend mit einer Welle mit größerer Wellenlänge - bei sichtbarem Licht hat das rote Licht die größte Wellenlänge, daher spricht man von Rotverschiebung (oder Stokes-Shift). Der nette Effekt ist jetzt, dass das ausgesandte Licht nicht mehr oder nur wenig von anderen Molekülen des Farbstoffes absorbiert werden kann und daher ungehindert den Wellenleiter passieren müssten.

Jetzt ist aber in den 70ern doch herausgekommen, dass die Selbstabsorption verhinderte, dass die Reichweite der Photonen im Wellenleiter groß genug wurde. Die neu präsentierten Ergebnisse stammen von Laser- und Optikexperten die neue Entwicklungen und Erkenntnisse verwendet haben um die Wellenleitertechnik zu verbessern.
Sie setzen dabei vor allem auf Beimischung (Dotierung) mit anderen Farbstoffen, die einige der negativen Effekte stark reduzieren können. Einer der dabei ausgenutzten Effekte ist z.B. der Förster-Energietransfer, bei dem Energie auf die Gastmoleküle übergeht, mit dem Effekt dass der Überlapp in Absorptions- und Emissionsspektrum verkleinert werden kann.
Weiterhin werden mehrere Schichten aus Farbstoffen in den “organic solar concentrators (OSCs)” eingesetzt. Dabei muss eine tiefere Schicht mit einem anderen Farbstoff versehen werden. Hier möchte man gerade das aus der ersten Schicht verloren gegangene Licht auffangen und muss daher ein Absorptionsspektrum haben das so gut wie möglich mit dem emittierten Licht des oberen Farbstoffes übereinstimmt.

Was macht man jetzt damit? Man kann mit dünnen “Fenstern” dieser Konzentratoren großflächig einfallendes Sonnenlicht einfangen und zu Solarzellen leiten. Dadurch müsste man z.B. nicht eine gesamte Dachfläche mit Solarzellen zustellen und könnte wesentlich kostengünstiger Flächen zur Stromerzeugung präparieren.