Verbesserte Farbstoffsolarzelle durchbricht Effizienzbarriere

  • 04. November 2011

Optimierter Farbstoff und neuer Elektrolyt sorgen für 13 Prozent Wirkungsgrad.

Die Farbstoffsolarzelle oder Grätzel-Zelle ist eine faszinierende und populäre Alternative zu den herkömmlichen Siliziumsolarzellen. Sie ist einfach aufgebaut, leicht herzustellen und benötigt keine extrem reinen und deshalb teuren Halbleitermaterialien. Jetzt haben Forscher um Michael Grätzel an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) die beiden Hauptkomponenten der Farbstoffsolarzelle, den Farbstoff und den Elektrolyten, verbessert und damit einen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt.

Die mit grünem Porphyrin sensitivierte hoch effiziente Solarzelle. (Bild: M. Grätzel)

Die mit grünem Porphyrin sensitivierte hoch effiziente Solarzelle. (Bild: M. Grätzel)

Vor 20 Jahren hatten Michael Grätzel und Brian O’Regan die Farbstoffsolarzelle erfunden. Sie besteht, von oben nach unten, aus einer lichtdurchlässigen Elektrode, einer dünnen Schicht aus mikrometergroßen Titanoxidpartikeln, auf denen Farbstoffmoleküle sitzen, einem Elektrolyten und einer Platinelektrode. Einfallendes Licht regt die Farbstoffmoleküle an, die daraufhin Elektronen an das Titanoxid abgeben, das diese weiter zur oberen Elektrode leitet. Der Elektrolyt nimmt Elektronen an der Platinelektrode auf und gibt sie an die positiv geladenen Farbstoffmoleküle ab. Somit werden die Elektronen im Innern der Zelle von einer Elektrode zur andern transportiert. Verbindet man die Elektroden durch einen Leiter außerhalb der Zelle miteinander, so kann ein elektrischer Strom fließen.

Im Jahr 2006 präsentierten Forscher der japanischen Firma Sharp eine Farbstoffsolarzelle, die bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie einen Wirkungsgrad von 11,1 Prozent erreichte – halb so viel wie Siliziumsolarzellen leisten. Der Farbstoff enthielt das Edelmetall Ruthenium. Den Ladungstransport im Elektrolyten vollbrachten Jodionen, die an der Platinelektrode durch Elektronenaufnahme von I3– zu 3I umgewandelt wurden, daraufhin zu den Farbstoffmolekülen diffundierten, dort durch Elektronenabgabe wieder in ihren anfänglichen Ionisierungszustand gelangten und schließlich zur Platinelektrode zurück diffundierten.

Seither versuchten verschiedene Forschergruppen die Farbstoffsolarzelle zu verbessern. Zum einen wollte man Farbstoffe ohne das sehr teure Ruthenium einsetzen. Zum andern haben die beiden Jodionen I3– zu 3I ein relativ kleines Redoxpotential. Dadurch wird ein erheblicher Teil der Anregungsenergie des Farbstoffmoleküls verschwendet, wenn es durch Aufnahme eines Elektrons in den elektrisch neutralen Zustand zurückkehrt. Dies vermindert die elektrische Spannung, die sich zwischen den beiden Elektroden aufbaut und im äußeren Stromkreis genutzt werden kann. Trotz intensiver Suche fand man zunächst keine Kombination von Farbstoff und Elektrolyt, die den Wirkungsgrad der Farbstoffsolarzelle erhöhte.

Doch jetzt haben Michael Grätzel und seine Kollegen einen doppelten Durchbruch geschafft. Zum einen sind sie das teure Ruthenium losgeworden, indem sie einen zinkhaltigen Farbstoff synthetisierten, der das Licht über den ganzen sichtbaren Bereich des Spektrums absorbiert. Nur um 550 Nanometer ist das Absorptionsvermögen etwas verringert, so dass die mit diesem Farbstoff sensitivierte Solarzelle grünlich schimmert.

Abb.: Die Farbstoffsolarzelle beruht auf dem Zusammenspiel von Farbstoffmolekülen, Titanoxidpartikeln und den Ionen im Elektrolyten. (Bild: P. Huey, Science)

Abb.: Die Farbstoffsolarzelle beruht auf dem Zusammenspiel von Farbstoffmolekülen, Titanoxidpartikeln und den Ionen im Elektrolyten. (Bild: P. Huey, Science)

Das Farbstoffmolekül besteht aus einem Zinkporphyrinkomplex, an dem zwei Molekülgruppen hängen. Die eine endet frei und wirkt als Elektrondonor, die andere verankert den Komplex am Titanoxid und wirkt als Akzeptor. Auf diese Weise kann der optisch angeregte Komplex sehr effizient ein Elektron ans Titanoxid abgeben und der daraufhin ionisierte Komplex ein Elektron aus dem Elektrolyten aufnehmen.

Zudem haben Grätzel und seine Mitarbeiter den Elektrolyten entscheidend verbessert. Sie haben das bisher unentbehrlich scheinende Jod durch Kobaltkomplexe ersetzt, in denen das Kobaltion zwei- oder dreifach geladen ist. Das Redoxpotential dieser beiden Ionisierungszustände ist um 185 Millivolt größer als das der Jodionen. Dadurch konnte die beleuchtete Solarzelle eine deutlich höhere elektrische Spannung von 965 Millivolt erreichen.

Verglichen mit Jodionen haben die Kobaltkomplexe jedoch einen Nachteil. Wenn sie Elektronen an die Farbstoffmoleküle abgegeben haben und sich dann auf die Titanoxidoberfläche setzen, können sie von dort wieder Elektronen zurückholen. Um diesen unerwünschten Prozess zu verhindern, haben die Forscher die Farbstoffmoleküle mit langen Seitenketten ausgestattet, die die Kobaltkomplexe abweisen. Dadurch erreichten sie einen Wirkungsgrad von 12,3 Prozent bei einer Lichtintensität von 995 Watt pro Quadratmeter.

Die großen Kobaltkomplexe diffundieren natürlich langsamer durch die Elektrolytschicht als die kompakten Jodionen. Deshalb muss man die Schicht möglichst dünn machen um zu verhindern, dass die Komplexe zu lange unterwegs sind und dabei Elektronen verlieren. Die langsame Diffusion führt auch dazu, dass bei sehr hohen Lichtintensitäten und entsprechend vielen angeregten Farbstoffmolekülen die Kobaltkomplexe nicht mehr mit der Anlieferung von Elektronen nachkommen. So ist es nicht verwunderlich, dass die Solarzelle bei einer auf 500 Watt pro Quadratmeter verringerten Lichtintensität sogar einen noch höheren Wirkungsgrad von über 13 Prozent zeigte. Auch 220 Stunden intensive Sonneneinstrahlung änderten die Eigenschaften der Solarzellen nur geringfügig.

Die Zukunftsaussichten der neuen Farbstoffsolarzelle beurteilen Grätzel und seine Kollegen sehr zuversichtlich: „Diese Ergebnisse sind ein fruchtbarer Boden für die weitere Forschung. Dabei konzentrieren wir uns darauf, einen linearen Response des Photostroms auf volles Sonnenlicht zu erzielen. Wirkungsgrade von über 13 Prozent sollten sich dann unter Normalbedingungen erreichen lassen.“

Rainer Scharf

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