04.06.2020 - Ruhr-Universität Bochum (RUB)

Effizientere Biosolarzellen nach dem Vorbild der Natur

Lichtsammel- und Photosyntheseproteine verschiedener Arten können in Kombination mehr Energie erzeugen

Zu den möglichen Quellen für erneuerbare Energien gehören die Proteinkomplexe, die für die Photosynthese verantwortlich sind. Noch lässt ihre Effizienz in technischen Anwendungen allerdings zu wünschen übrig. Grünes Licht können sie zum Beispiel nicht in Energie umwandeln. Diese sogenannte Grünlücke konnte ein Forschungsteam der Ruhr-Universität Bochum (RUB) und des Israel Institute of Technology in Haifa schließen. Gelungen ist das durch die Kombination eines Photosynthese-Proteinkomplexes mit einem Lichtsammelprotein aus Cyanobakterien.

Abschauen bei Pflanzen, Algen und Bakterien

Biosolarzellen sind ein innovatives Konzept zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Zu ihrer Herstellung werden biologische Komponenten aus der Natur eingesetzt. Das Herzstück sind sogenannte Photosysteme: große Proteinkomplexe, die in Pflanzen, Algen und Cyanobakterien für die Energiewandlung verantwortlich sind. Besonders Photosystem II, kurz PSII, spielt eine zentrale Rolle, da es Wasser als Elektronenquelle für die Stromerzeugung nutzen kann.

Zusammenarbeit klappte bisher im Reagenzglas nicht

„So einzigartig PSII jedoch ist, so limitiert ist auch sein Wirkungsgrad, da es nur einen Teil des Sonnenlichts nutzen kann“, erklärt Prof. Dr. Marc Nowaczyk, Leiter der Projektgruppe Molekulare Mechanismen der Photosynthese an der RUB. Besonders im Bereich der sogenannten Grünlücke ist PSII nahezu inaktiv. „Cyanobakterien haben das Problem dadurch gelöst, dass sie spezielle Lichtsammelproteine, die Phycobilisomen, bilden, die auch dieses Licht nutzbar machen. In der Natur klappt die Zusammenarbeit, im Reagenzglas bisher noch nicht.“

Superkomplexe nutzen doppelt so viele Photonen der Grünlücke

In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann an der RUB und der israelischen Forschungsgruppe um Prof. Dr. Noam Adir ist es Nowaczyks Team erstmals gelungen, eine Zweikomponenten-Bioelektrode herzustellen. Die besondere Schwierigkeit bestand in der funktionalen Interaktion der Multiproteinkomplexe, die zum Teil artübergreifend kombiniert wurden.

Mit kurzkettigen chemischen Quervernetzern, die die Proteine mit sehr geringem Abstand zueinander dauerhaft fixieren, konnten die Forscherinnen und Forscher diese Superkomplexe stabilisieren. Im nächsten Schritt brachten sie sie in geeignete Elektrodenstrukturen ein. „Diese Herausforderung konnten wir durch maßgeschneiderte, dreidimensionale und zugleich transparente Elektroden in Kombination mit redoxaktiven Hydrogelen meistern“, sagt Dr. Volker Hartmann, Erstautor der Studie. Durch diesen Aufbau konnten – im Vergleich zu einem System ohne Lichtsammelkomplexe – doppelt so viele Photonen innerhalb der Grünlücke genutzt werden.

Vielversprechender Zwischenschritt

Der Zusammenbau von Proteinkomplexen im Reagenzglas gilt als vielversprechender Zwischenschritt bei der Entwicklung von biologischen Solarzellen. Er erlaubt es, die Vorzüge verschiedener Spezies in halbkünstlichen Systemen funktional zu verbinden. In Zukunft sollen insbesondere die Herstellung und Lebensdauer der biologischen Komponenten weiter verbessert werden.

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