Das Geheimnis liegt in der Farbe

Farbstoffsolarzellen. Vergleichende Prüfung von Farbstoffsolarzellen mit Ruthenium- und Zinkverbindungen

Auf der Suche nach Alternativen zu herkömmlichen Solarzellen aus Silizium rücken schon seit längerem Farbstoffsolarzellen in den Focus. Farbstoffmoleküle werden auf Halbleiterpartikel aufgetragen, im allgemeinen Titandioxid, und – ähnlich wie bei der Photosynthese in Pflanzen – setzt einfallendes Licht im Farbstoff Elektronen frei, die im Halbleiter Strom erzeugen. Man spricht von der sogenannten Grätzel-Zelle oder auch elektrochemischen Farbstoffsolarzelle. Über deren Wirkungsgrad und auch die Produktionskosten entscheiden die verwendeten Farbpigmente. Hauptsächlich werden auf Ruthenium-Komplexen beruhende Farbstoffe eingesetzt, einem seltenen und leider teuren Übergangsmetall. Auch Naturfarbstoffe sind im Test, wie Brombeer- und Hibiskusteeextrakte (Anthocyane).

Doch geht die Suche nach günstigen und effektiven Farbstoffalternativen, die gut an den Titandioxidpartikeln haften, weiter. Wissenschaftler aus den USA haben etwa Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid getestet und einen Wirkungsgrad von rund einem Prozent festgestellt, was im Vergleich zu Siliziumzellen, die zehn bis 15 Prozent erreichen, noch sehr wenig ist. Mit Ruthenium-Komplexen ist unter Laborbedingungen immerhin ein Wirkungsgrad von bis zu 12,5 Prozent gemessen worden. Ein Kilopreis von rund 3.000 Euro lässt Ruthenium als Basis für die industrielle Produktion von Farbsolarzellen zugleich fragwürdig erscheinen.

Wissenschaftler der Universität Basel sind nun kürzlich auf eine neuartige organische Verbindung auf der Basis von Zink gestoßen, die als Farbstoff geeignet wäre. Zink zählt zu den häufigsten Elementen in der Erdkruste. Der Preis für ein Kilogramm Zink liegt bei nur 1,50 Euro. Das Übergangsmetall ist in großen Mengen vorhanden, was die Farbstoffsolarzellenproduktion in Zukunft nicht nur preiswerter sondern zugleich auch nachhaltiger machen könnte. Die Forscher Nik Hostettler und Ewald Schönhofer von der Universität Basel haben außerdem eine neue Strategie zur Verankerung der Farbstoffe an der Oberfläche der Titandioxid-Nanopartikel entwickelt. Damit sind ihnen gleich zwei Durchbrüche gelungen.

Die Entdeckung des Zink-Farbstoffs war eher zufällig. Die Wissenschaftler hatten das orange leuchtende Material entdeckt, als sie mit organischen Verbindungen für neuartige Beleuchtungssysteme experimentierten. Die meisten Zinkverbindungen sind eigentlich farblos. Leider arbeiten auch die mit den farbigen Zinkverbindungen versehenen Solarzellen noch nicht sehr effizient; auch hier liegt der Wirkungsgrad bei unter einem Prozent. Die nachfolgenden Forschungsarbeiten werden sich daher vor allem auf die Effizienzsteigerung konzentrieren. Auch will man die Zellen einem Langzeittest unterziehen. Eine Herausforderung im Zusammenhang mit Farbsolarzellen liegt im Erhalt der Stabilität und Effizienz auch über längere Zeit. Erste Messungen haben ergeben, dass die elektrischen Eigenschaften der Zink-Solarzellen zwei und sieben Tage nach der Versiegelung nahezu konstant blieben.

Eine Vision der Baseler Wissenschaftler ist die Verbindung von Photovoltaik und Beleuchtungstechnik etwa in intelligenten Vorhängen. Die Vorhänge könnten tagsüber Sonnenenergie speichern und nachts das Zimmer beleuchten. Der Baseler Professor Edwin Constable erklärt. „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. Dieses Vorhaben steht im Zentrum unseres Forschungsprogramms ‚Light-In, Light-Out‘, das vom Europäischen Forschungsrat ERC finanziert wird“.

Josephin Lehnert

Add comment