Solarzellen aus der Druckerpresse

22.02.2007

Farbstoffzellen erzeugen Strom ohne Silizium

Der Solarboom ist ungebrochen, seit die Einspeisevergütung Solaranlagen sowohl für Häuslebauer wie für Fondsgesellschaften auch wirtschaftlich interessant macht. Limitierender Faktor ist aber der Hauptrohstoff - reines Silizium. Im Prinzip steht es zwar in unbegrenzter Menge zur Verfügung, seine energieintensive Herstellung und die Quasi-Monopolstellung der Silizium-Produzenten schränken aber die Verfügbarkeit ein und führten zu einer Hochpreispolitik. Erst kostengünstige Alternativen werden die Photovoltaik günstiger und damit auch nach Auslaufen der Förderprogramme wirtschaftlich machen. Ein geeigneter Kandidat scheint nun in Sicht: die Farbstoffzelle.

Im Siebdruckverfahren hergestellte Farbstoffsolarzelle des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE. Die Drucktechnik ermöglicht transparente Solarzellen mit graphischen Motiven und damit neue Gestaltungsmöglichkeiten in Architektur und Produktdesign. Bild: Fraunhofer ISE

Innovationsdruck durch hohe Preise

Die Solarbranche boomt wie einst die IT-Industrie, seit 1990 liegt die durchschnittliche Wachstumsrate bei 20%. Doch seit 2003 wird die Produktion ausgebremst, es mangelt an Reinsilizium und neue Produktionsanlagen sind erst im Bau, so dass die Preise 2006 von rund 20 auf 60 US-Dollar pro Kilogramm und die Modulpreise im gleichen Zeitraum um 25% gestiegen sind. Da die weltweite Nachfrage nach Photovoltaik-Modulen das Angebot übersteigt, konnten insbesondere Firmen, die am Anfang der Wertschöpfungskette stehen, die Preise in den letzten drei Jahren kontinuierlich erhöhen.

Komplette Photovoltaikanlagen wurden so in den letzten drei Jahren bis zu 10% teurer, obwohl die Preise der Wechselrichter, die den Solar-Gleichstrom in Wechselstrom für das Netz wandeln, um 5% sanken und so zeigten, dass höhere Nachfrage, verbesserte Technik und damit eine rentablere Produktion sehr wohl zu Preissenkungen führen. Als Grund für die hohen Modulpreise nennen die Produzenten die gestiegenen Kosten für den Rohstoff Silizium. Die Preise müssen aber sinken, wenn Photovoltaik für die Anlagenbetreiber auch weiterhin wirtschaftlich bleiben soll, denn im Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) ist festgeschrieben, dass die Einspeisevergütung für Strom aus neu errichteten Anlagen pro Jahr um 5% niedriger ausfällt. Die Anlagenpreise müssen also im Mittel jährlich um eben diesen Betrag sinken, andernfalls würde der Solarboom abgewürgt.

Alternative Farbstoffzelle

Mit Hochdruck wird daran gearbeitet, die einseitige Abhängigkeit vom Silizium zu beenden. Strategien sind Materialersparnis durch dünnere Schichten, der Einsatz alternativer Halbleiter und die Erschließung ganz neuer Materialien. Die Farbstoffsolarzelle, nach ihrem Erfinder auch Grätzel-Zelle genannt, kommt ganz ohne Silizium und ohne aufwändige Diffusions- oder Ätzschritte aus. Hauptbestandteile sind stattdessen ungiftiges Titandioxid, das auch in jeder Zahnpasta eingesetzt wird, Ruthenium-Farbstoff und ein Elektrolyt auf Iod- oder Kaliumbasis. Der Aufbau einer Farbstoffsolarzelle ist im Prinzip so einfach, dass im Internet zum Experimentieren funktionierende Selbstbau-Anleitungen kursieren, deren wichtigste Baumaterialien Zahnpasta und Früchtetee sind.

Sandwich-Aufbau einer Farbstoffsolarzelle. Bild: Fraunhofer ISE

Die Zelle ist im Prinzip ein Sandwich aus zwei Glasscheiben. Sie werden auf der Innenseite leitfähig beschichtet. Auf der Arbeitselektrode wird eine rund 10 µm dicke Schicht Titandioxid aufgedruckt. Da sie porös ist, bietet sie eine besonders große Oberfläche, auf der der lichtsensible Farbstoff haftet. Auf der Gegenelektrode befindet sich eine wenige µm dicke katalytische Schicht. Der Bereich zwischen den beiden Elektroden ist mit dem Elektrolyt gefüllt. Beim Lichteinfall setzt der Farbstoff Elektronen frei, die über das leitende Titandioxid abfließen. Der Farbstoff wird durch das Jodid wieder reduziert, das dadurch zu Jod oxidiert und an der Anode wieder zu Jodid reduziert. So bilden sich bei Lichteinfall ein äußerer nutzbarer Stromkreis und ein innerer Stromkreis zur Regenerierung des Farbstoffs.

Für die Photovoltaik ist die Farbstoffzelle vor allem wegen ihrer Kostensenkungspotenziale interessant. Sie kann schneller und einfacher gefertigt werden als normale Zellen und hat selbst bei trübem Licht nur einen geringen Leistungsabfall. Dass die Marktreife so lange auf sich hat warten lassen, lag u.a. an der Stabilität der Farbstoffe. Für eine gewünschte 20-jährige Lebensdauer der Zelle muss der Farbstoff 100 Millionen Anregungs-Oxidations-Reduktions-Zyklen verkraften, mit Übergangsmetallkomplexen auf Ruthenium oder Osmiumbasis ist das möglich. Weiteres Problem war die Dichtheit der Zellen denn das flüssige Elektrolyt darf während der gesamten Lebensdauer weder Verbindungen mit den anderen Materialien eingehen, noch diffundieren oder auslaufen.

Die ersten marktreifen Farbstoffsolarzellen

Die ersten auf der Expo 2005 öffentlich vorgestellten Generatoren aus Farbstoffsolarzellen mit organischen Dichtungen versagten schon nach weniger als einem Jahr. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE löste dieses Problem durch eine Versiegelung mit Glaslot. Ein weiterer Hersteller, die in Australien ansässige Dyesol Pty Ltd, geht einen anderen Weg und kapselt auf ihren Modulen Millionen winziger Farbstoffsolarzellen.

Als erster Hersteller kam 2006 Peccel, eine Ausgründung der Universität Yokohama, mit ihrer Dye-sensitized cell als Serienmodell auf den Markt. Auch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE zeigte seine Farbstoffzellen-Solarmodule auf der letzten Hannover-Messe. Studienleiter Andreas Hinsch sieht einen wichtigen Vorteil der neuen Technik in ihrer Lowtech-Fähigkeit:

Man braucht keine Hochtechnologie. Jeder Kleinbetrieb, der Siebdruck beherrscht, kann prinzipiell Farbstoffzellen herstellen. Für eine dezentrale Produktion auch in industriell wenig entwickelten Ländern wäre das eine ideale Voraussetzung.

Bei der vom Fraunhofer ISE entwickelten Glaslottechnik wird an den Rändern und auf den Leiterbahnen der Module Glaspulver aufgedruckt und anschließend bei etwa 600 Grad verschmolzen. Alle Materialien für die Zellenbildung werden als Paste im Siebdruck strukturiert auf zwei Glasplatten aufgebracht. Die beiden Platten werden so miteinander verbunden, dass sich mäander- oder streifenförmige Kanäle bilden. In diese Kanäle werden der Farbstoff und ein gelierbarer Elektrolyt eingefüllt - fertig ist die Solarzelle.

Das Toyota Dream House, die Farbstoffsolarzellen im EG erzeugen Strom und sind gleichzeitig transluzente Fensterelemenete. Bild: Toyota

Die Farbe der transparenten Module kann variiert werden, ebenso die Druckmuster. Durch Bedrucken mit streuenden Schichten können innerhalb der Module Bilder und Schriftzüge ohne nennenswerten Leistungsverlust kreiert werden. Wermutstropfen ist allerdings bei allen aktuellen Modulen der noch sehr geringe Wirkungsgrad bis 2,5%, der bei weitem noch nicht an die im Labor ermittelten möglichen 11 Prozent heranreicht. Als erstes Haus mit fassadenintegrierten Farbstoffzellenkollektoren stellte Toyota das Dream House vor, einen Protoyp der neben avancierter Solartechnik auch als Demonstration zukünftiger Hausautomation dient.

Farbstoffsolarzellen sind ein weiterer Baustein, um Photovoltaik kostengünstiger zu machen. Die Ausgangsmaterialien sind vergleichsweise günstig und die Herstellung in Siebdrucktechnik kann dezentral auch von Handwerksbetrieben eingesetzt werde. Die Diversifizierung der Zellenmaterialien kann so nicht nur helfen, die Abhängigkeit vom Halbleitermaterial Silizium zu verringern, sie wird auch die Monopolstellung der wenigen Siliziumhersteller relativieren. Ganz nebenbei hat die neue Zelle durch ihre Transparenz und Graphikfähigkeit das Potential, integriert in gutes Design und Architektur, für die Nutzung der Erneuerbaren Energien weithin sichtbar zu werben.

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