Hanno Wrenger hatte sich in den letzten Jahren im Rahmen von Beiträgen zu „Schüler experimentieren“ und „Jugend forscht“ bereits intensiv mit dem Pflanzenwachstum und der Fotosynthese anhand von Untersuchungen zur Chlorophyllfluoreszenz beschäftigt. Seine Ergebnisse wurden nicht nur über Jugend forscht sondern in Folge auch im MINT-ECho und im Anschluss daran auch in der Fachzeitschrift „Chemie in unserer Zeit“ veröffentlicht.

Aus diesen Projekten sind für ihn aktuell nun weitere Fragestellungen hervorgegangen. Hanno wollte untersuchen, ob sich das Auftreten von Exzitonen zur Einschätzung von Pflanzenstress nutzen lässt. Seine Überlegungen führten ihn in diesem Jahr zu einer zweiten Frage: Lassen sich diese Erkenntnisse auch in flüssigen Solarzellen verwenden bzw. wie verhalten sich die Exzitonen in einer flüssigen Solarzelle?

Er berichtet:

„Um die Exzitonen in einer möglichen flüssigen Solarzelle möglichst gut untersuchen zu können, wurde anfangs ein Programm geschrieben, welches das elektrische Feld in einem Plattenkondensator mit einem Exziton visualisieren kann. Aus diesem Programm ist im Laufe der Zeit ein Programm hervorgegangen, welches ein Exziton, bestehend aus einem Elektron und einem Chlorophyll-Molekül, in dem elektrischen Feld eines mit Aceton gefüllten Kondensators simulieren kann. Dazu wurden die Kräfte, die durch den Kondensator und das Exziton ausgeübt werden, und mit ihnen die Beschleunigung, Geschwindigkeit und Position des Elektrons und des Ions berechnet.

Um die Wirklichkeit möglichst akkurat zu simulieren, wurden statistische Stöße in das Programm mit eingebracht. Aufgrund der statistischen Bestandteile der Simulation wurde eine Vielzahl an Exzitonen simuliert und am Ende die durchschnittlichen Endwerte für die Geschwindigkeit, Beschleunigung und Terminierungszeit ausgegeben. Bei der Auswertung dieser Werte wurde ein exponentieller Zusammenhang zwischen der Spannung, welche an dem Kondensator anliegt, und der Terminierungszeit beobachtet, welcher über die Funktion der statistischen Stöße als Reibungskraft erklärt werden kann. Der lineare Zusammenhang zwischen Spannung und Terminierungszeit bzw. Beschleunigung und Geschwindigkeit der Teilchen kann über die von der Spannung abhängende Kraft, welche der Kondensator auf die Teilchen ausübt, erklärt werden. Der lineare Zusammenhang zwischen der Größe des Flüssigkeitskörpers und der Terminierungszeit ist über die steigende Strecke erklärbar, die das Elektron durchschnittlich zurücklegen muss, um in den Kondensator eintreten zu können.

In den Messwerten wurde zudem noch ein Zusammenhang zwischen steigender Spannung und steigender Streuung der Werte beobachtet. Diese Begebenheit lässt sich über die höhere Anzahl der statistischen Stöße erklären, bei denen die Bestandteile des Exzitons mit Flüssigkeitsteilchen kollidieren, welche einen eingeschränkt zufälligen Impuls besitzen. Die durchschnittliche Anzahl der Stöße steigt mit steigender Geschwindigkeit und somit auch mit steigender Spannung.

Zwar sind flüssige Solarzellen nicht bzw. noch nicht so effizient wie feststoffbasierte Solarzellen, über eine mögliche dreidimensionale Ausdehnung besitzen sie aber das Potential, diesen Effizienzunterschied zu überbrücken. Alternativ lässt sich die Kombination aus einem Chlorophyllextrakt und einem Kondensator auch dafür verwenden, Pflanzenstress zu untersuchen. Dazu muss zunächst die relative Permittivität der Chlorophyll-Lösung bestimmt werden. Misst man nun die Stromstärke an dem Chlorophyll-Extrakt an dem eine Spannung anliegt, kann ermittelt werden, wie gestresst die Pflanzen sind, von denen das Chlorophyll stammt.“