Fortschritte bei Farbstoff-Solarzellen
06.04.09 – Prachi Patel-Predd
Chinesische Forscher wollen die Erzeugung von Solarstrom verbilligen. Dazu haben sie neuartige Farbstoff-Zellen entwickelt, die sich trotz hohem Wirkungsgrad besonders kostengünstig herstellen lassen. Gleichzeitig sollen sie in einem zweiten Schritt auch auf flexible Oberflächen gedruckt werden können.
Bislang musste man zur Schaffung solcher Solarzellen Farbstoffe nutzen, die aus dem Edelmetall Ruthenium und volatilen Elektrolyten bestanden. Wissenschaftler an der Akademie der Wissenschaften in Peking gelang es nun, diese beiden Materialien durch billigere Stoffe zu ersetzen und dennoch eine ordentliche Effizienz zu erzielen.
Der Schlüssel dazu war ein neues organisches Farbmolekül, das von Chemieprofessor Peng Wang und seinem Team entwickelt wurde. Es reduziert die Herstellungskosten, weil die notwendigen Inhaltsstoffe deutlich billiger sind als Rutheniumzusammensetzungen. Auch der Elektrolytbestandteil wurde gegen eine andere Art ausgetauscht – eine so genannte ionische Flüssigkeit. Daraus ergaben sich zudem robustere Zellen.
Bisherige Farbstoff-Solarzellen enthalten Lösungsmittel, die bei hohen Temperaturen verdampfen oder gar auslaufen können. Die ionische Flüssigkeit bleibt stabil und kann außerdem mit Kunststoff kombiniert werden, was die Möglichkeit zur Schaffung flexibler Sonnenkollektoren bietet. "Wir demonstrierten erstmals, dass vollorganische Farbstoffe sich nutzen lassen, um stabile, lösemittelfreie Zellen zu schaffen, die eine mit Ruthenium vergleichbare Effizienz liefern", sagt Wang.
Die Forscher lieferten dabei einen neuen Wirkungsgradrekord für Zellen, die organische Farbmoleküle enthalten. Um mit konventionellen Siliziumkomponenten konkurrieren zu können, müssen sie die im Licht enthaltene Energie mindestens zu zehn Prozent in Strom umwandeln können. Wang und sein Team erreichten 9,8 Prozent. "Wenn man sich auf diesem hohen Niveau bewegt, zählen bereits kleine Verbesserungen", meint Michael Grätzel, Chemieprofessor an der Ecole Polytechnique Federale im schweizerischen Lausanne, der als Vater der Farbstoff-Solarzelle gilt, die man auch Grätzel-Zelle nennt. Es sei sehr spannend, dass Forscher nun so nah an die 10 Prozent-Marke mit organischen Farbstoffen gelangten. "Das ist eine magische Zahl."
Als die chinesischen Forscher den organischen Farbstoff mit einer ionischen Flüssigkeit kombinierten, fiel die Effizienz zunächst auf 8,1 Prozent. Doch auch das sei noch ein deutlicher Fortschritt, meint Grätzel. Er veröffentlichte im letzten Jahr eine Studie, bei der er ähnliche Zellen mit einem Wirkungsgrad von nur 7,2 Prozent demonstrierte. Eine Kombination aus nichtvolatilen Elektrolyten mit Ruthenium-Farbstoffen erreichte dagegen sofort 10 Prozent. "Wir dachten vor zehn Jahren nicht einmal daran, mehr als ein Prozent herauszuholen", sagt er.
Bei einer Farbstoff-Solarzelle werden mit Farbstoff beschichtete Halbleiter-Nanopartikel zusammen mit einem Elektrolyt zwischen zwei Glasplatten eingeklemmt. Die Farbmoleküle absorbieren Licht und generieren Elektronen, die zu den Elektroden transferiert und schließlich nach draußen geleitet werden können – als Strom. Das große Problem mit organischen Farbstoffen war in der Vergangenheit, dass es schwer ist, die Elektronen von den gleichzeitig erzeugten positiv geladenen Fehlstellen dauerhaft zu trennen: Sie rekombinierten sich und verringerten so den Stromfluss.
Die Farbmoleküle, die Wang und seine Kollegen geschaffen haben, erhöhen nun die Effizienz der Zelle auf drei Arten: Sie leiten Elektronen schnell zu den Halbleiterpartikeln, verhindern, dass sich Elektronen und Elektronenfehlstellen rekombinieren und decken zusätzlich ein breites Lichtspektrum ab, absorbieren unter anderem mehr Rotlicht.
Mindestens zwei Firmen sind derzeit dabei, Farbstoff-Solarzellen nach Grätzel zu kommerzialisieren. Dabei werden Ruthenium-Farbstoffe mit volatilen Elektrolyten verwendet; der Wirkungsgrad liegt bei 11 Prozent. Im Oktober 2008 eröffnete das Unternehmen Dyesol im australischen Queanbeyan eine Fabrik, die Solarkacheln herstellt, die sich in Hausfassaden einbauen lassen. G24 Innovations aus Cardiff in Wales stellt wiederum Ladegeräte für Mobiltelefone her, die mit der Technik arbeiten.
Wang, dessen Paper online im Journal "Chemical Communications" veröffentlicht wurde, glaubt, dass seine Idee das Verfahren billiger und weitläufiger verwendbar machen könnte. "Momentan ist die Verwendung giftiger, volatiler Lösungsmittel in Zellen mit hohem Wirkungsgrad eine riesige Hürde, die Farbstoff-Solartechnik im großen Maßstab einzusetzen."
Sein Team arbeitet derzeit daran, die 10 Prozent-Hürde bei Wirkungsgrad zu überspringen. Dazu wird die Ansprache des Farbstoffs auf den Infrarotbereich verbessert und an neuen lösemittelfreien Elektrolyten gearbeitet.
Grätzel und seine Kollegen in Lausanne bleiben ebenfalls nicht untätig. Ihr großes Ziel ist das Erreichen eines Wirkungsgrads von 14 Prozent bereits im nächsten Jahr – und zwar ebenfalls mit nichtvolatilen Elektrolyten. Das Rennen um den Farbstoff sei dabei aber noch nicht entschieden – sowohl eine Ruthenium-basierte Variante als auch eine organische sei denkbar, meint der Wissenschaftler. Letzteres sei aber vermutlich billiger. "Wenn man sich ansieht, wie der Wirkungsgrad zugenommen hat, erscheint die Kurve bei organischen Molekülen steiler. Extrapoliert dürfte es noch gut ein Jahr dauern, bis sie zum Überholmanöver ansetzen."
