Sonnenlicht als UV-Quelle: Neues Festkörpermaterial macht Hochkonversion alltagstauglich

UV-Licht macht nur etwa sechs Prozent des auf der Erdoberfläche ankommenden Sonnenlichts aus. Für viele industrielle Anwendungen ist es dennoch unverzichtbar: Es sterilisiert Luft und Wasser, härtet Kunstharze in 3D-Druckern aus und lässt Gelfüllungen beim Zahnarzt in Sekunden aushärten. Trotzdem bleibt der Großteil des reichlich vorhandenen sichtbaren Sonnenlichts für diese Zwecke ungenutzt. Herkömmliche UV-Quellen benötigen Strom oder intensive Laserstrahlung. Forschende an der Kyushu-Universität in Fukuoka haben jetzt ein Festkörpermaterial entwickelt, das dieses Missverhältnis mit gewöhnlichem Tageslicht korrigieren soll.

Kalte Sonne — Foto: Cold Sun, Mark Vegas, Flickr, CC BY-SA 2.0

Zwei Photonen, ein Ergebnis

Das Team nutzt einen Quanteneffekt namens Photonen-Hochkonversion (englisch: photon upconversion): Zwei Photonen sichtbaren Lichts geben ihre Energie an ein einziges UV-Photon ab. Der konkrete Mechanismus heißt Triplett-Triplett-Annihilation (TTA). Zunächst absorbiert ein sogenanntes Donormolekül sichtbares Licht und wechselt dabei in einen angeregten Triplettzustand. Es überträgt diese Energie auf ein Akzeptormolekül. Stoßen zwei angeregte Akzeptormoleküle zusammen, vereinigen sie ihre Energien und senden ein einzelnes UV-Photon aus. Der entscheidende Knackpunkt liegt in der Molekülanordnung: Die Teilchen müssen nah genug beieinander sein, um Energie auszutauschen, aber weit genug voneinander getrennt, damit ihre Elektronenwolken sich nicht gegenseitig auslöschen. Diese Balance blieb über viele Jahre das zentrale Problem der Festkörperforschung auf diesem Gebiet. Flüssige TTA-Systeme funktionierten, setzten aber toxische und schnell verdunstende Lösungsmittel voraus. Feste Alternativen litten darunter, dass sich die Moleküle im Kristallgitter zu dicht packten und ihre Energie verpufften.

Kohlenstoffketten als molekulare Abstandshalter

Die Lösung fand das Team um Professor Emeritus Nobuo Kimizuka in einem organischen Halbleiter namens Dihydroindenoindenendien (DHI). Die Forschenden befestigten kurze Alkylketten an den sp³-Kohlenstoffatomen des Moleküls. Diese Atome bilden Bindungen in vier feste Raumrichtungen und wirken so als präzise molekulare Abstandshalter. Die Moleküle bleiben nah genug für effizienten Energietransfer, ohne sich elektronisch zu stören. Das optimierte Material erreicht eine Fluoreszenz-Quantenausbeute von über 60 Prozent im Festkörper. In Kombination mit einem Donormolekül erzielt das System eine Hochkonversionseffizienz von 1,9 Prozent unter normaler, unkonzentrierter Sonneneinstrahlung von 1,2 Milliwatt pro Quadratzentimeter. Anders ausgedrückt: Von hundert absorbierten Photonen sichtbaren Lichts entstehen knapp zwei UV-Photonen. Für ein Festkörpersystem unter Normalbedingungen ist das ein Durchbruch; bisherige Materialien scheiterten selbst bei weit höherer Lichtintensität.

Rennen gegen den Ruhestand

Hinter dem Ergebnis steckt auch eine persönliche Geschichte. Kimizuka verfolgte das Ziel eines UV-Hochkonversionssystems im Festkörper seit mehr als 14 Jahren. Der entscheidende Einfall kam im Mai 2024, weniger als ein Jahr vor seinem geplanten Ruhestand. Was folgte, war ein wissenschaftlicher Endspurt: Doktorand:innen und Nachwuchswissenschaftler:innen verdichteten Monate der Datenanalyse und des Schreibens auf wenige Wochen. Elf Tage vor dem Ausscheiden ihres Professors überreichten sie ihm das fertige Manuskript. Das Team hat für das Material bereits ein Patent angemeldet. Als nächste Schritte diskutieren die Forschenden UV-Folien für handelsübliche Luftreiniger sowie energiesparende 3D-Drucker, die ihren Bedarf an UV-Licht allein aus dem Tageslicht decken.

via Kyushu University