Farbstoffsolarzellen: Power-Potenzial der Photovoltaik

Fassade mit Farbstoffsolarzellen

Großflächige Siliziumsolarmodule auf dem Hausdach produzieren grünen Strom – und ein gutes Gewissen. Kaum jemand fragt sich, wie diese Module eigentlich hergestellt werden – und wie ihre tatsächliche Ökobilanz ausschaut. Die wird für ein Produkt in Form einer „Lebensweganalyse von der Wiege bis zur Bahre“ ermittelt: Welche Rohstoffe müssen für die Herstellung entnommen werden? Welche Stoffe werden im Produktionsprozess eingesetzt, wie viel Energie muss zugeführt werden, welche Emissionen (zum Beispiel Abfall, Treibhausgase) werden freigesetzt? Lagerung, Transportwege und natürlich die finale Entsorgung des Produkts werden ebenfalls in die Bilanz miteinbezogen. Gegengerechnet wird dann der tatsächliche ökologische Nutzen des Produktes.

Legt man diesen umfassenden Maßstab zugrunde, gibt es deutliche Punktabzüge für die Siliziumzelle in der B-Note: Zellproduktion, Reinigung der Produktionsanlagen wie auch die Entsorgung der Altmodule können mitunter aus verschiedenen Gründen eine Herausforderung für den Umweltschutz darstellen. Mal geht es um in den Modulen verbautes Blei oder Schwermetalle, mal um Reinigungsgase, die gleichzeitig auch Treibhausgase sind.

Im Rahmen einer Ökobilanz wird häufig auch die sogenannte „graue Energie“ („embodied energy“) eines Produktes ermittelt. Dabei handelt es sich um die Energie, die für die Herstellung des Produktes insgesamt aufgewendet werden muss. Auch hier schneidet die Siliziumzelle eher mäßig ab, auch wenn ihre Gesamtbilanz in der Regel positiv ausfällt: Dem Herstellungsprozess muss eine enorme Menge an Energie zugeführt werden. Entsprechend dauert es bis zum Zeitpunkt des „energy payback“ – der Moment in dem die Zelle so viel Energie wieder erzeugt hat, wie für ihre Herstellung überhaupt erst verbraucht wurde: Bei Siliziumzellen rechnet man dafür derzeit etwa zwei Jahre ein.

Natürlich inspirierte Farbstoffsolarzelltechnologie

Doch es gibt auch Neues unter der Sonne: Innovative Zelltechnologien setzen an, wo ihre Vorgänger an Grenzen stoßen. Denn: grün geht noch grüner. Einer der Zellspezialisten der sogenannten „dritten Generation“ der Solarzellen, die australische Firma Dyesol, vertraut auf die Expertise der Natur: Ihre Farbstoffsolarzelltechnologie imitiert den biochemischen Übersetzungsprozess der Pflanzen – und wird entsprechend als „künstliche Photosynthese“ annonciert.

Dyesols Farbstoffsolarzelle vereint drei Basismaterialien – ein Elektrolyt, Titanium (ein in weißer Farbe, Zahnpasta und Make-Up verwendetes Pigment), den Farbstoff Ruthenium, die in dünnen Lagen eingefasst werden in ein Glassubstrat. Trifft Sonnenlicht, einfaches Tages- oder künstliches Licht auf die Zelle, werden die Elektronen im Farbstoff angeregt und vom Titanium absorbiert – ein elektrischer Strom entsteht.

Die Farbstoffsolarzelle weist gegenüber der Siliziumzelle einen geringeren Wirkungsgrad auf, kontert dies aber unter bestimmten Bedingungen mit einer stärkeren Performance: Da sie ein weitaus größeres Spektrum an Lichtverhältnissen „bearbeiten“ kann und darüber hinaus nicht auf Sonnen- sondern lediglich auf Tageslicht angewiesen ist, rentiert sich der Einsatz einer Farbstoffsolarzelle (etwa im Rahmen der Gebäudeintegrierten Photovoltaik) insbesondere dort, wo die Sonne selbst sich rarer macht. Verschattete Großstadtlandschaften oder häufig bewölkte Regionen sind Beispielfälle. Und: Die Farbstoffsolarzelle kann (semi-)transparent ausgeführt werden, was sowohl ästhetischen wie praktischen Mehrwert bedeutet.

Grün und sauber, geizig im Ressourcenverbrauch

Doch die Farbstoffsolarzelle hat noch andere Vorteile zu bieten: Gegenüber der Siliziumkonkurrenz besitzt sie die attraktivere Ökobilanz: Wo beim Silizium enorme Prozessenergie eingesetzt beziehungsweise verbraucht wird, begnügt sich das „roll-to-roll“-Verfahren bei der Verfertigung der Farbstoffzelle mit wesentlich niedrigeren Temperaturen. Dank seiner Nanostruktur kann beispielsweise das TiO2 schon bei rund 500 Grad Celsius verarbeitet werden; Partikel in Mikrometergröße würden zirka 1000 Grad Celsius benötigen. Die meisten Produktionsschritte ähneln Durchlaufprozessen, wie sie etwa beim Druck, bei Beschichtung oder Laminierung vorkommen.

Geizig erweist sich die Farbstoffsolarzelle, wenn es um den Ressourcenverbrauch geht: Zusammengenommen sind die lichtaktiven Schichten innerhalb der Zelle zirka einen Mikrometer dick – 50 bis 100-mal dünner als ein menschliches Haar. Zum Vergleich: Silikonwafer in Standardsolarzellen sind mehr als 100-mal dicker. Dazu kommen Materialverluste und Abfall während des Produktionsprozesses. Und schließlich werden in den Farbstoffsolarzellen keinerlei giftige Materialien verarbeitet – einige Konkurrenztechnologien verlassen sich auf hochtoxische Materialien wie etwa Kadmium oder das ebenfalls giftige Selenium. Unterm Strich ergibt das eine deutlich geringere graue Energie. Und: Die Farbstoffsolarzelle amortisiert sich im Betrieb durchschnittlich bereits nach unter einem Jahr.

Dyesol hat kürzlich gemeinsam mit der Nanyang Technological University in Singapur ein Forschungsabkommen unterzeichnet und mit dem saudi-arabischen Industriegiganten Tasnee einen Strategischen Investor gewinnen können. Wenn alles nach Plan läuft, könnten die Farbstoffsolarzellen bald als der „grüne Joker“ der Solarindustrie ihren Siegeszug antreten.

Melanie Holtmann

2 Bemerkungen

  • Hört sich äußerst interessant an, wie sieht es denn mit der Dauerbeständigkeit und -Performance der Farbstoffsolarzelle aus?
    Nur wenn diese eine wirklich lange Lebensdauer erreichen, kann man sie wirklich bei Gebäudehüllen und als Fassadenteil einsetzen.