Für die Energiegewinnung muss möglichst effizient die Sonnenstrahlung (Photonen) von den Farbstoffen absorbiert und in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Abbildung 2 zeigt das solare Spektrum als Photonenfluss auf der Erdoberfläche (schwarze Linie) und den integrierten Photonenfluss, der bei 4000 nm auf 100% normiert ist (rote Linie).

Der integrierte Photonenfluss gibt dabei Auskunft darüber, wie viele Photonen auf der Erdoberfläche auftreffen. Der Ultraviolette (UV)-Bereich bis 380 nm beinhaltet demnach nur 1.4% aller von der Sonne abgestrahlten Photonen und im sichtbaren Bereich (Vis, 380 - 700 nm, blau bis rot) immerhin bis zu 25%. Der interessanteste Bereich mit der höchsten Photonenzahl von bis zu 50% ist der nahe Infrarot (NIR)- Bereich von 700 - 1500 nm. Zwar ist die Energie der Photonen im NIR doppelt bis dreifach niedriger (Tabelle 1) als die Energie der Photonen im Vis-Bereich, aber dafür ist ihre Anzahl doppelt so hoch. Dieser Aspekt macht den NIR Bereich wiederum interessant für die Energiegewinnung.

Organische Farbstoffsysteme

Zentrale Aufgabe ist es nun Farbstoffsysteme zu entwickeln, die die Fähigkeit besitzen vom sichtbaren Bereich bis in den NIR-Bereich hinein Photonen im hohen Mass zu absorbieren. Dabei sind u.a. folgende physikalischen und chemischen Eigenschaften zentral:

• Die Farbstoffe müssen einen sehr hohen Exctinktionskoeffizient aufweisen.
• Die Lücke zwischen dem HOMO (höchsten besetzten Molekülorbital) und dem LUMO (niedrigsten unbesetzten Molekülorbital) des Farbstoffes muss klein sein.
• Elektrische Ladungen sollen eine hohe Mobilität im Molekül haben.
• Das Verhältnis des Stromflusses zu den einfallenden Photonen (Incident Photon To Current Efficiency-IPCE) sollte gegen 100% sein, d.h. nahezu jedes absorbierte Photon injiziert ein Elektron.
• Die Farbstoffe müssen stabil unter dem Einfluss der solaren Strahlung sein.
• Die Farbstoffe müssen löslich in gebräuchlichen Lösungsmitteln für ihre Verarbeitung sein.
• Die Synthese der Farbstoffe sollte im industriellen Massstab durchführbar sein.

Die Klasse der Polymethinfarbstoffe zeigt viele der oben aufgeführten Eigenschaften und weist daher ein hohes Potential für die Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie auf.

Polymethinfarbstoffe sind substituierte oder unsubstituierte Polyene mit einer ungeraden Anzahl von Methin-Gruppen, die von Auxochromen, einer Akzeptor- und Donorgruppe, flankiert sind (Abbildung 3). Dabei besteht durch die Heteroatome oder Heterocyclen einen Mangel oder Überschuss an π-Elektronen. Dieser Molekülaufbau wirkt als push-pull-System. Auf Grund der unterschiedlichen Ladungen der Moleküle wird in drei weiteren Klassen unterteilt, den Cyanin-, den Merocyanin- und den Oxonolfarbstoffen. Die Cyaninfarbstoffe sind positiv geladen und werden nach der Anzahl der Methineinheiten (-CH=) auch kurz z.B. als Tri-, Penta-, Heptamethinfarbstoffe bezeichnet.

Eine spezielle Klasse, die strukturell von den Polymethinfarbstoffen abweicht, sind die Farbstoffe der Quadrat- und Krokonsäure. Ebenfalls durch Heterocyclen flankiert, bilden diese Farbstoffe auf Grund des Säurecharakters der Quadrat- und Krokonsäure ein inneres Salz und sind dadurch im Unterschied zu den Cyaninfarbstoffen nicht geladen (Abbildung 2).

Das Absorptionsmaximum des Farbstoffes wird durch die Eigenschaft der Polymethin-Brücke sowie des Donors und Akzeptors bestimmt. Je ausgedehnter das π-Elektronensystem über die Einheiten ist, desto weiter im NIR-Bereich, also bei höheren Wellenlängen, kann der Farbstoff absorbieren. Bei Polymethinfarbstoffen kann damit theoretisch eine bathochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums von ca. 100 nm pro Methineinheit erreicht werden, wobei bei einer Länge von 19 Methineinheiten Absorptionsmaxima bis zu 1200 nm möglich sind (Abbildung 4).

Basierend auf den Polymethinfarbstoffen synthetisieren wir symmetrische Cyaninfarbstoffe mit unterschiedlicher Anzahl an Methineinheiten und verschiedenen Heterocyclen sowie symmetrische und asymmetrische Farbstoffe der Quadrat- und Krokonsäure mit unterschiedliche Heterocyclen mit funktionellen Gruppen.