Forschung

Solarstrom aus Früchtetee

21.08.2020 - Farbstoffsolarzellen können noch keinen essentiellen Beitrag zur Energiewende leisten, bieten aber interessante Alternativen zu herkömmlichen Solarzellen.

Farbstoffsolarzellen mit nutzbaren Wirkungsgraden haben erstmals 1991 Brian O’Regan und Michael Grätzel in der wissenschaftlichen Literatur erwähnt. Seitdem ist die Forschung vorangeschritten. Während O’Regan und Grätzel je nach Beleuchtungssituation 7 bis 12 % Wirkungsgrad erreichen konnten, sind inzwischen Wirkungsgrade von weit über 20 % in der wissenschaftlichen Literatur zu finden.

Farbstoffsolarzellen, auch Grätzel-Zellen genannt, bestehen aus zwei leitfähigen Elektroden, von denen mindestens eine durchsichtig sein muss, um Licht in die Zelle eindringen zu lassen. Die Frontelektrode wird mit einem Halbleiter, typischerweise TiO2 (Titandioxid) oder auch ZnO (Zinkoxid), beschichtet, auf dem eine Monolage eines Farbstoffs abgelagert wird. Die Farbstoffmoleküle dienen dazu, Photonen zu absorbieren und so Elektronen im Farbstoff anzuregen, die in das Leitungsband des Halbleiters injiziert werden. Durch diesen und die Frontelektrode gelangen die Elektronen in einen äußeren Kreislauf, in dem sie einen Verbraucher antreiben. Den Wiedereintritt in die Solarzelle über die Gegenelektrode unterstützt eine Platin- oder Graphitschicht als Katalysator. Mit der Reduktion des Elektrolyten durch das Elektron und dem Elektronentransfer vom Elektrolyten in den Farbstoff wird der Kreislauf geschlossen.

Farbstoffsolarzellen bieten eine interessante Alternative zu herkömmlichen Solarzellen. Ihre Herstellung benötigt keine Reinräume und viel weniger Energie als etwa Siliziumsolarzellen. Allerdings sind ihre aktuellen Wirkungsgrade besonders bei Nutzung preiswerter, ungiftiger Materialien sehr niedrig. Sie genügen noch nicht, um einen essentiellen Beitrag zur Energiewende zu leisten. Farbstoffsolarzellen können aber bereits jetzt für Stand-alone-Lösungen, in textiler Architektur oder auf anderen großen Flächen eingesetzt werden. Dies kann sinnvoller und umweltschonender sein als der Einsatz herkömmlicher siliziumbasierter Zellen.

Andrea Ehrmann und Tomasz Błachowicz skizzieren in einem Artikel in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit die aktuelle Forschung an Farbstoffsolarzellen, insbesondere für den Einsatz auf Textilien. Am Schluss stellen sie einen Schulversuch zur Charakterisierung einer Farbstoffsolarzelle vor.

Originalveröffentlichung

A. Ehrmann, T. Błachowicz, Solarstrom aus Früchtetee, Phys. Unserer Zeit 51(4), 196 (2020);  https://doi.org/10.1002/piuz.202001578

 

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