Cambridge, Massachusetts - US-Forscher haben ein elektronisches Gerät entwickelt, das durch die Verwendung von Spinat Licht in elektrische Ladung konvertiert. Shuguang Zhang und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen Proteinkomplex, der von Spinat-Chloroplasten stammt, in einen biologischen Halbleiter eingebaut, um eine Solarzelle zu schaffen, die mit Festkörperelektronik kombiniert werden kann.

Chloroplasten sind Strukturen in Pflanzenzellen, die mit Chlorophyll angereichert sind, jener Substanz, die Blättern ihre grüne Farbe verleiht und ihnen die Photosynthese ermöglicht. "Die Natur hat das Milliarden von Jahren gemacht", so Zhang. "Zum ersten Mal haben wir es geschafft, uns diesen Prozess zu Nutze zu machen." Die resultierenden Zellen sind viel dünner und leichter als bestehende Solarkollektoren und können eventuell herangezogen werden, um effizientere Kollektoren herzustellen, glaubt Zhang.

Stabilisierungsproblem

Frühere Bemühungen, die Energie aus der Photosynthese in konventionelle Elektronik zu integrieren, sind gescheitert. Der Grund für das Scheitern liegt darin, dass sie eine wässrige Umgebung benötigen, um zu funktionieren. Zhangs Team ist es nun gelungen, den Proteinkomplex inmitten des Systems, das 14 Protein-Einheiten und Hunderte von Chlorophyll-Molekülen beinhaltet, künstlich zu stabilisieren. Das gelang den Wissenschaftlern durch die Verwendung synthetischer Peptide, die kleine Mengen an Wasser binden, innerhalb einer abgedichteten Einheit. Photonen (Lichtpartikel) regen die gekoppelten Paare von Elektronen im Chlorophyll an und verursachen den Transfer eines Elektrons zu einem nahe gelegenen Rezeptormolekül. Pflanzen nützen diesen Transfer, um Photosynthese zu betreiben, eine chemische Reaktion, die Energie durch die Konvertierung von Kohlendioxid zu Zucker speichert, wobei Licht verwendet wird. Als Nebenprodukt entsteht Sauerstoff. Das Gerät von Zhang verwendet den gleichen Prozess, um Elektronen in biologische Halbleiter einzuführen, die auf der obersten Ebene von Glas ausgerichtet sind.

Das System ist weit davon entfernt, perfekt zu sein. Die Peptide halten den Proteinkomplex nur für etwa drei Wochen stabil und die Zellen konvertieren nur zwölf Prozent des Lichts in elektrische Ladung. Laut Zhang kann die Effizienz aber durch die Übereinanderschichtung zahlreicher Zellen dramatisch erhöht werden, weil diese immer noch Licht durchlassen. Devens Gust von der Arizona State University bezeichnet Zhangs Gerät als interessanten Teil wissenschaftlicher Grundlagenforschung, allerdings sei es noch weit von jeglicher praktischen Anwendung entfernt. Laut Gust sind die Stabilisierung des Systems und eine Verbesserung der Effizienz der Photonenkonvertierung entscheidend für den zukünftigen Erfolg. (pte)