Forscher arbeiten an semiartifiziellen Solarzellen. Ein halb-k\u00fcnstliches Blatt ist schneller als die Photosynthese. <\/p>\n
Bochumer Chemiker und Biologen haben gemeinsam eine neue Methode entwickelt, Membranproteinkomplexe der Photosynthese effizient in semiartifizielle Sonnenkollektoren zu integrieren. Der damit erzielte Elektronentransfer \u00fcbertraf zum ersten Mal deutlich die in der nat\u00fcrlichen Photosynthese beobachteten Raten.<\/p>\n
Diese Entdeckung er\u00f6ffnet ganz neue M\u00f6glichkeiten f\u00fcr die Konstruktion halb-k\u00fcnstlicher Bl\u00e4tter, die als Photovoltaikanlagen mit ungeahnter Leistung funktionieren k\u00f6nnten. Die Forscher um Dr. Nicolas Plumer\u00e9, Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann und Prof. Dr. Matthias R\u00f6gner berichten im Journal Chemistry \u2013 a European Journal. Ihre Studie wurde vom Journal zum \u201eVery Important Paper\u201c gew\u00e4hlt \u2013 eine Ehre, die nur f\u00fcnf Prozent der eingereichten Beitr\u00e4ge zuteil wird.<\/p>\n
Photosystem 1, ein widerstandsf\u00e4higer und effizienter Photosynthesekomplex<\/strong><\/p>\n
In nat\u00fcrlichen Bl\u00e4ttern absorbiert der Membranproteinkomplex Photosystem 1 (PS1) das Sonnenlicht. Dessen Energie dient dann dazu, Kohlendioxid in Biomasse zu verwandeln. Auch Sonnenkollektoren, die meistens aus Halbleitern auf Siliziumbasis bestehen, sammeln das Licht, allerdings um daraus Elektrizit\u00e4t zu gewinnen. Ein Ansatz, um Sonnenkollektoren g\u00fcnstiger und aus erneuerbaren Materialien herzustellen, besteht darin, die Halbleiter durch Membranproteinkomplexe der Photosynthese zu ersetzen.<\/p>\n
Die Arbeitsgruppe von Prof. R\u00f6gner isoliert sehr stabile Photosynthesekomplexe aus thermophilen Cyanobakterien, die in einer hei\u00dfen Quelle in Japan leben. Der Einbau dieser nat\u00fcrlichen Komponenten in ein k\u00fcnstliches System war jedoch eine gro\u00dfe Herausforderung: Die Photosynthesekomplexe bestehen sowohl aus hydrophoben als auch aus hydrophilen Bereichen, welche ihre Handhabung und Fixierung auf Elektroden deutlich erschweren.<\/p>\n
Umgebung reagiert auf \u00e4u\u00dfere Reize<\/strong><\/p>\n
Die Teams von Dr. Nicolas Plumer\u00e9 and Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann entwickeln komplexe leitf\u00e4hige Materialien, die auf \u00e4u\u00dfere Reize reagieren. In diese so genannten Redox-Hydrogele betten die Forscher den Photosynthesekomplex PS1 ein. Durch die Wahl eines geeigneten Hydrogels konnten sie die Umgebung der nat\u00fcrlichen Proteine genau einstellen. Insbesondere lassen sich durch die Anpassung des pH-Werts die hydrophoben beziehungsweise hydrophilen Eigenschaften des Hydrogels kontrollieren und an die Bed\u00fcrfnisse des Photosynthesekomplexes anpassen.<\/p>\n
\u201eDiese eigens angefertigte Umgebung bietet dem Proteinkomplex optimale Bedingungen \u2013 sogar besser als in nat\u00fcrlichen Bl\u00e4ttern\u201c, erkl\u00e4rt Dr. Nicolas Plumer\u00e9. Die Forscher ermittelten die h\u00f6chsten jemals f\u00fcr halb-k\u00fcnstliche Photoelektroden gemessenen Elektronentransferraten, die sogar die der nat\u00fcrlichen Photosynthese um eine Gr\u00f6\u00dfenordnung \u00fcbertrafen.<\/p>\n
Effizientere und billigere Sonnenkollektoren<\/strong><\/p>\n
\u201eDiese Verbesserung erh\u00f6ht die Effizienz unseres anf\u00e4nglichen biophotovoltaischen Konzepts vom Nanowatt- in den Mikrowatt-Bereich\u201d, erl\u00e4utert Nicolas Plumer\u00e9. Zwar werden silikonbasierte Sonnenkollektoren diejenigen mit biologischen Komponenten zun\u00e4chst weiterhin \u00fcbertreffen, was ihre Stabilit\u00e4t und Effizienz betrifft. Aber in verschiedenen Anwendungen sind letztere dennoch \u00fcberlegen. Besonders als Energielieferanten f\u00fcr winzige medizintechnische Werkzeuge wie Sensoren in Kontaktlinsen bieten sie sich an. In fernerer Zukunft k\u00f6nnte das Biophotosystem Ausgangspunkt f\u00fcr die Entwicklung billiger und flexibler Solarzellen f\u00fcr die Anwendung auf unebenen Oberfl\u00e4chen sein.<\/p>\n
T. Kothe, S. P\u00f6ller, F. Zhao, P. Fortgang, M. R\u00f6gner, W. Schuhmann, N. Plumer\u00e9: Engineered electron transfer chain in Photosystem 1 based photocathodes outperforms electron transfer rates in natural photosynthesis. In: Chemistry – A European Journal, 2014, doi: 10.1002\/chem.201402585 (VIP).<\/p>\n
Quelle<\/h5>\n
Fakult\u00e4t f\u00fcr Chemie und Biochemie, Zentrum f\u00fcr Elektrochemie, Ruhr-Universit\u00e4t Bochum 2014<\/p>\n