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Solarzellen Nachhaltige Solarzellen aus häufigen Metallen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Nach Fukushima wird die Notwendigkeit von Alternativen zur Kernenergie immer deutlicher. Chemiker der Universität Basel beschreiben nun einen neuen Ansatz zum Bau günstiger und nachhaltiger Farbstoff-Solarzellen auf der Basis von Zink – eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste. Die Zinkpreise liegen rund 2000mal niedriger als die des derzeit häufig verwendeten Rutheniums.

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Abb. 1: Vergleichende Prüfung von Farbstoffsolarzellen mit Ruthenium- und Zinkverbindungen.
Abb. 1: Vergleichende Prüfung von Farbstoffsolarzellen mit Ruthenium- und Zinkverbindungen.
(Bild: Universität Basel/Edwin Constable)

Basel/Schweiz – Farbstoff-Solarzellen oder DSC (Dye-sensitized Solar Cells) bestehen aus dem Halbleiter Titandioxid, auf dem ein Farbstoff verankert ist. Dieser Farbstoff absorbiert Sonnenlicht und überträgt Elektronen an den Halbleiter, wodurch ein Stromfluss entsteht. Den Forschern Nik Hostettler und Ewald Schönhofer aus der Gruppe der Professoren Edwin Constable und Catherine Housecroft an der Universität Basel sind nun zwei Durchbrüche gelungen: Erstens haben sie eine neue Strategie zur Herstellung und Verankerung von Farbstoffen an der Oberfläche von Titandioxid-Nanopartikeln entwickelt und zweitens konnten sie erstmals zeigen, dass dazu einfache Verbindungen des reichlich verfügbaren Metalls Zink verwendet werden können. Laut der Projektleiterin Dr. Biljana Bozic war entscheidend, ein Verfahren für die gleichzeitige Synthese des Farbstoffs und dessen Verankerung auf der Halbleiteroberfläche zu entwickeln.

Bunte Farbstoffe aus grauem Zink

Die Entdeckung, dass Zinkfarbstoffe zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden können, war äußerst unerwartet. Laut Prof. Edwin Constable wird Zink von den meisten Chemikern als eher „langweiliges“ Element angesehen, da die meisten seiner Verbindungen farblos sind. Bei Forschungsarbeiten im Hinblick auf neuartige Beleuchtungssysteme hatten er und sein Team organische Verbindungen entdeckt, die an Zink gebunden neuartige, intensiv-farbige Materialien bilden. Obwohl die mit farbigen Zinkverbindungen bestückten Solarzellen noch nicht besonders effizient arbeiten, öffnet diese Beobachtung den Weg für eine neue Generation von Solarzellen, die mit bisher unberücksichtigten Farbstoffen arbeiten.

Herkömmliche Farbstoff-Solarzellen verwenden Farbstoffe auf der Basis von Ruthenium. Ruthenium ist ein sehr seltenes Metall und mit rund 2990 Euro pro Kilogramm entsprechend teuer. Kürzlich demonstrierte das Basler Forscherteam die Leistungsfähigkeit von Farbstoffen aus dem reichlich vorkommenden und relativ günstigen Kupfer (6,3 Euro pro Kilogramm). Durch die Verwendung von billigem Zink (1,5 Euro pro Kilogramm) erhöht sich die Nachhaltigkeit der Technologie zusätzlich. „Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung unseres Traums, Photovoltaik und Beleuchtung in intelligenten Vorhängen zu verbinden, die tagsüber Sonnenenergie speichern und nachts als Beleuchtungselemente dienen“, so Ed Constable. „Dieses Vorhaben steht im Zentrum unseres Forschungsprogramms 'Light-In, Light-Out', das vom Europäischen Forschungsrat ERC finanziert wird.“

Originalveröffentlichung:

Biljana Bozic-Weber, Edwin C. Constable, Nik Hostettler, Catherine E. Housecroft, Ralf Schmitt and Ewald Schönhofer. The d10 route to Q1 dye-sensitized solar cells: step-wise assembly of zinc(II) photosensitizers on TiO2 surfaces. Chemical Communications (2012) | doi: 10.1039/c2cc31729j

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