10,7 Prozent Effizienzgrad für Grätzelzelle

Farbstoffsolarzelle liefert mehr Power – Forscher der Kyotoer Universität erreichen Rekord-Wirkungsgrad

Mit einem neuartigen molekularen Farbstoff ist es Forschern des Instituts für Integrierte Zell-Materialwissenschaften der Universität Kyoto  gelungen, den Wirkungsgrad einer Farbstoffsolarzelle auf 10,7 Prozent zu erhöhen. Bisher liegt er deutlich unter zehn Prozent und reduziert sich während der Nutzung weiter. Die Forscher um Hiroshi Imahori und Tomohiro Higashino sind dabei, das Feld der sogenannten aromatisch kondensierten Porphyrin-Sensibilisatoren für farbstoffsensibilisierte Solarzellen, der derzeit effizientesten Solartechnologie, neu zu beleben.

Grundsätzlich kann die Farbstoffsolarzelle einen Wirkungsgrad von etwa 30 Prozent erreichen und damit alle bisher genutzten Zellen übertrumpfen, nach Meinung einiger Fachlaute selbst die auf kristallinem Silizium basierenden. Das im Journal of the American Chemical Society (JACS) veröffentlichte Team berichtet von einer Reihe von Anpassungen mit einem Wirkungsgrad von 10,7%, der bisher höchsten für diese Art von Farbstoffsolarzellen, der derzeit effizientesten verfügbaren Solartechnologie.

Japanische Forscher haben farbstoffsensibilisierte Solarzellen durch Anpassung und Aktualisierung ihrer Struktur effizienter gemacht – Grafik © Izumi Mindy Takamiya

Aktuelle farbstoffsensibilisierte Solarzellen bestehen aus einer porösen Schicht Titandioxid, die mit einem molekularen Farbstoff überzogen ist. Beim Eindringen von Sonnenlicht werden die Elektronen beim Durchlaufen angeregt und zur Energiegewinnung gesammelt, bevor sie wieder in den Elektrolyten und zurück zum Farbstoffmolekül zurückgeführt werden. Da sie leicht und kompakt sind, haben sie einen hohen Industrieanreiz als Ersatzmaterial für aktuelle Dachsolarzellen. Es gibt verschiedene Ansätze zur Strukturierung dieser Solarzellen; wobei die aromatische Ringfusion zu einem Porphyrinkern am attraktivsten ist, da sie rotes Licht gut absorbieren. Doch sie haben ihre Schattenseiten: Die Elektronen werden nur für eine kurze Lebensdauer angeregt, neigen zur Aggregation, was die Umwandlung in Leistung erschwert.

Farbstoff bringt Effektivitätsschub

Der Farbstoff, den das Team entwickelt hat, ist ein modifiziertes Prophyrin, ein organisches Farbstoffmolekül, das aus ringförmig angeordneten Molekülen besteht. Es sorgt beispielsweise im Körper des Menschen für den Sauerstofftransport im Blut. In der Solarzelle hat es eine ganz andere Aufgabe. Es fängt das Sonnenlicht ein. Dabei werden Elektronen frei, die Titandioxidteilchen, auf denen die Farbmoleküle sitzen, zur Anode leiten. Von dort fließen sie als elektrischer Strom zur Kathode. Auf dem Weg dorthin erledigen sie ihre Aufgabe, lassen Glühlampen leuchten oder laden eine Batterie auf.

In bisherigen Farbstoffsolarzellen werden die vom Sonnenlicht abgespaltenen Elektronen nicht schnell genug abgeleitet. Sie vereinigen sich, ehe sie abfließen können, wieder mit dem positiv geladenen Restmolekül. Daher rührt der geringe Wirkungsgrad. Durch das neue Design bleiben die Elektronen länger frei, sodass mehr davon für den Weg zur Anode übrigbleiben, also ein stärkerer Strom fließt. “Die stetig größer werdende Sorge um die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Stromerzeugung erfordert verstärkte Bemühungen, klimaneutrale Energieträger zu entwickeln”, sagt Imahori. Er hofft, dass der Forschungserfolg seines Teams andere Wissenschaftler anregt, diesen Zelltyp weiter zu verbessern.

Um die Effizienz zu verbessern, untersuchten Hiroshi Imahori, Tomohiro Higashino und Kollegen die Verwendung eines methylengebundenen Materials, das mit dem Porphyrinkern verschmolzen ist. Sie glaubten, dass dies die Nachteile überwinden würde, insbesondere durch Unterdrückung der Aggregation und Verbesserung der Energieumwandlung. Mit dem neuen Molekülfarbstoff DfZnP-iPr erreichten sie eine höhere Effizienz als bisher berichtet. Sie glauben, dass ihre Forschung die Erforschung von aromatisch fusionierten Porphyrin-Sensibilisatoren für diese Hochleistungs-Solarzellen wiederbeleben wird. “Die wachsende Besorgnis über die Verwendung fossiler Brennstoffe und Umweltfragen erfordert, dass wir hart an der Verbesserung nachhaltiger Energiesysteme arbeiten. Unsere Arbeit verbessert die Effizienz einer leichten und attraktiven Solartechnologie und wir hoffen, dass sie die Forschungsgemeinschaft anregen wird, das Potenzial von aromatisch kondensierten Porphyrin-Sensibilisatoren für farbstoffsensibilisierte Hochleistungs-Solarzellen weiter zu erforschen., sagt Hiroshi Imahori vom Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) der Universität Kyoto.

Weniger Energie und Materialkosten

Die Grätzelzelle, wie die Farbstoffsolarzelle nach ihrem Erfinder Michael Grätzel von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne auch genannt wird, lässt sich mit geringem Energieaufwand aus billigen Materialien herstellen. Aus diesem Grund gilt sie als wichtige Möglichkeit, Strom umweltverträglich zu produzieren. Die japanischen Forscher haben die Zukunftsaussichten dieses Zelltyps nun erheblich verbessert.

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