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Solarzelle schlägt Blatt

Ingenieure und Wissenschaftler haben in wenigen Jahrzehnten erreicht, dass Solarzellen das Sonnenlicht deutlich effizienter nutzen als Pflanzen mit Photosynthese, obwohl sich diese in Millionen Jahren durch Mutation und Selektion entwickelt hat. Bisher haben Experten oft damit argumentiert, dass sie von der Natur lernen und sie imitieren könnten, um möglichst effiziente Solarzellen herzustellen.

Zu dem Ergebnis kamen 18 Chemiker und Biologen durch einen Vergleich, den sie im Fachmagazin Science veröffentlicht haben (Robert Blankenship et al., Ausgabe 332, Seite 805). Solarzellen verfügen über einen Wirkungsgrad von 16 bis 20 Prozent. Damit ein sinnvoller Vergleich möglich ist, haben die Forscher festgelegt, dass die Zellen nicht nur Strom erzeugen, sondern die Energie auch chemisch speichern müssen, so wie es die Pflanzen durch ihr Wachstum auch tun. Deshalb rechnen die Wissenschaftler so, als ob sie die Solarzelle an eine Elektrolyse anschließen, damit Wasserstoff erzeugen und diesen dann wieder verbrennen. Die Wärme, die man in einem solchen System erhalten würde, vergleichen sie mit der Lichtenergie, die auf die Solarzelle trifft. Rechnen sie dann noch zusätzliche Verluste in den Anlagen ein, sinkt dadurch der Wirkungsgrad der Photovoltaik auf zehn bis elf Prozent.

Die Photosynthese der Pflanzen hat einen noch geringeren Wirkungsgrad. In Wachstumsphasen liegt er immerhin noch zwischen drei und sieben Prozent. Über das gesamte Jahr betrachtet ist er in der Regel niedriger als ein Prozent. Nur Algen in Bioreaktoren kommen auf drei Prozent. Ein Grund für die niedrige Effizienz ist, dass Pflanzen einen kleineren Teil des Lichtspektrums nutzen als Solarzellen. Sowohl der Wirkungsgrad der Solarzellen als auch der der Pflanzen lässt sich jedoch noch steigern. Bei Einfachsolarzellen schätzen die Forscher den maximal erreichbaren Wirkungsgrad auf 24 Prozent. Mit Mehrfachzellen lassen sich prinzipiell noch höhere Werte erreichen. Bei Pflanzen schlagen die Forscher unter anderem ein ähnliches Konzept vor. Wenn es gelänge, einen Teil der Chlorophyll- Moleküle durch andere zu ersetzen, ließe sich eine Art pflanzliche Tandemzelle schaffen. Die Pflanzenzucht zur Energieproduktion stehe aber erst am Anfang, so dass sich die Effizienz auch ohne so radikale Eingriffe noch steigern lasse.

Dass Pflanzen keinen so hohen Wirkungs- grad haben, sei kein Versagen der Natur. Es liegt nach Ansicht der Forscher daran, dass sie während der Evolution nicht auf maximale Effizienz und Biomasseproduktion getrimmt worden seien, sondern auf den größtmöglichen Reproduktionserfolg. Pflanzen können im Gegensatz zu Zellen viele organische Substanzen her- stellen und sich selber vermehren. Den Forschern zufolge muss auch für die menschliche Solarstromnutzung nicht das System mit den höchsten Wirkungsgraden gewählt werden. Es komme vielmehr darauf an, dass es über den gesamten Lebenszyklus ökologisch und ökonomisch überzeugt.