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Günstigere Alternative Neue Herstellungsvariante für Farbstoffsolarzellen

| Autor / Redakteur: Nik Hostettler, Edwin C. Constable und Catherine E. Housecroft / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Will man die Energie des Sonnenlichts nutzen, um den immer größer werdenden Energiehunger der Gesellschaft zu stillen, sind nach wie vor Energieumwandlung und Speicherung limitierende Faktoren. Nach Alternativen wird intensiv geforscht. Forscher der Universität Basel arbeiten an neuen Farbstoffsolarzellen.

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Abb. 1: Vergleich zweier Farbstoffe: N719 oben und ein Kupferfarbstoff unten.
Abb. 1: Vergleich zweier Farbstoffe: N719 oben und ein Kupferfarbstoff unten.
(Bild: Universität Basel/Edwin Constable)

Der weltweite Energiekonsum beträgt rund 4,1 x 1020 J pro Jahr. Allein in Deutschland wurden im Jahr 2011 13 374 PJ Energie verbraucht, wovon nur rund ein Fünftel aus erneuerbaren Energiequellen stammte. Nach den Ereignissen von Fukushima und den daraus resultierenden Atomausstiegsbeschlüssen diverser Nationen drängt sich einmal mehr die Frage auf, wie man die entfallende Reaktorleistung durch umweltverträglichere Systeme ersetzen könnte.

Etwa 4,3 x 1020 J erreichen in Form von Sonnenergie stündlich die Erde. Daher liegt es auf der Hand, diese enorme Menge an kostenloser Energie zu nutzen. Eine Möglichkeit ist die Energie der einfallenden Photonen mithilfe von photovoltaischen Zellen in elektrischen Strom umzuwandeln. Die heute auf dem Markt erhältlichen Zellen bestehen größtenteils aus so genannten Silizium-Wafern: dünnen Scheiben aus hochreinem Silizium. Der Herstellung des hochreinen Siliziums geht der Prozess des Siliziumgewinnung aus Sand voraus, beide dieser Verfahren sind extrem energieaufwändig und daher sehr teuer, was sich im Preis der Solarmodule widerspiegelt.

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Eine günstigere Alternative und Gegenstand aktueller Forschung ist die Farbstoffsolarzelle oder auch „Dye Sensitized Solar Cell“ (DSC). Das Funktionsprinzip einer solchen Zelle lässt sich mit dem der Photosynthese von Pflanzen vergleichen: ein Farbstoff absorbiert das einfallende Sonnenlicht und wandelt die Energie der Photonen in chemische Energie (Photosynthese) oder Elektronen (DSC) um. Eine DSC, wie sie im Labor zu Forschungszwecken gebaut wird, besteht aus einer ca. 13 µm dicken Schicht des nanoporösen Halbleitermaterials TiO2, welches auf ein elektrisch leitfähiges Plättchen aufgetragen wird. Auf dieser Schicht werden dann Farbstoffmoleküle verankert, die es ermöglichen, neben dem vom TiO2 absorbierten UV-Licht auch Licht im sichtbaren Bereich zu absorbieren und so Elektronen in die Halbleiterschicht zu übertragen. Etwas detaillierter betrachtet wird im Farbstoffmolekül durch Absorption eines Photons ein Elektron vom Grundzustand in ein höherliegendes, unbesetztes Molekülorbital angeregt. Von hier aus kann das angeregte Elektron ins Leiterband des TiO2 übertragen werden wo es dann weiter über eine Elektrode abfließen kann. Natürlich muss der nun oxidierte Farbstoff wieder regeneriert werden, damit dieser erneute Anregungszyklen durchlaufen kann. Hierzu enthält die Zelle einen Elektrolyt (oft das Redox-Paar I-/I3-), der den Farbstoff wieder reduziert. Der nun oxidierte Elektrolyt wird von den zuvor dem Farbstoff entzogenen Elektronen regeneriert, nachdem diese einen Arbeitszyklus durchlaufen haben und über die Gegenelektrode wieder ins System gelangt sind.

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