Die Geschichte der Mesoskopischen Farbstoffsolarzellen (DSC) reicht bis in die 1990er Jahren zurück. Damals wurden sie von Brian O'Regan und Michael Grätzel erfunden. Letzterer hielt zudem als Namensgeber her, weshalb sie auch Grätzel-Zellen bezeichnet werden. Schweizer Wissenschaftler haben nun die Wirkungsgrade weiter verbessert. Nach Angaben der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) erreichen die Farbstoffsolarzellen bei direkter Sonneneinstrahlung einen Wirkungsgrad von mehr als 15 Prozent. Bei Umgebungslicht erreichten sie eine Effizienz von 30 Prozent. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse nun mit dem Aufsatz „Hydroxamic acid preadsorption raises efficiency of cosensitized solar cells“ im Fachmagazin „Nature“.
Die Farbstoffsolarzellen wandeln Licht durch Photosensibilisatoren in Elektrizität um: Farbstoffverbindungen, die Licht absorbieren und Elektronen in eine Anordnung von Oxid-Nanokristallen injizieren, die dann als elektrischer Strom gesammelt werden. Bei Farbstoffsolarzellen sind die Photosensibilisatoren an der Oberfläche nanokristalliner mesoporöser Titandioxidfilme angebracht, die mit redoxaktiven Elektrolyten oder einem festen Ladungstransportmaterial durchtränkt sind – das gesamte Design zielt darauf ab, elektrischen Strom zu erzeugen, indem Elektronen vom Photosensibilisator zu einem elektrischen Ausgang wie einem Gerät oder einer Speichereinheit bewegt werden.
Die nun erzielten Wirkungsgradsteigerungen seien durch Fortschritte bei den Photosensibilisatoren und anderen Komponenten erreicht worden, so die Forscher der EPFL. Der Schlüssel zur Verbesserung der Effizienz liegt jedoch im Verständnis und in der Kontrolle der Anordnung von Farbstoffmolekülen auf der Oberfläche von Titandioxid-Nanopartikelfilmen, die die Erzeugung von elektrischer Ladung begünstigen, wie die Forscher der EPFL berichten. Eine Methode sei die Kosensibilisierung, ein chemischer Herstellungsansatz, der die Solarzellen mit zwei oder mehr verschiedenen Farbstoffen herstellt, die eine komplementäre optische Absorption aufweisen. Dies habe die Umwandlungseffizienz auf die neue Rekordhöhe gebracht, da Farbstoffe kombiniert werden könnten, die Licht aus dem gesamten Lichtspektrum absorbieren. Allerdings habe sich die Kosensibilisierung in einigen Fällen auch als unwirksam erwiesen, da die Suche nach den richtigen Farbstoffpaaren, die eine hohe Lichtabsorption und Leistungsumwandlungseffizienz erzielen können, ein mühsames molekulares Design, Synthese und Screening erfordert.
Den EPFL-Wissenschaftlern der Gruppen von Grätzel und Anders Hagfeldt gelang es nun, die Kombination von zwei neu entwickelten Photosensibilisator-Farbstoffmolekülen zu verbessern. Damit sei die photovoltaische Leistung der Farbstoffsolarzellen gesteigert worden, weil die neuen Photosensibilisatoren Licht im gesamten sichtbaren Bereich quantitativ ernten konnten. Bei der neuen Technik wird eine Monoschicht eines Hydroxamsäurederivats auf der Oberfläche von nanokristallinem mesoporösem Titandioxid voradsorbiert, wie die Wissenschaftler zum Verfahren schreiben. Dies verlangsamt die Adsorption der beiden Sensibilisatoren und ermöglicht die Bildung einer gut geordneten und dicht gepackten Sensibilisatorschicht auf der Titandioxidoberfläche.
Konkret erreichten die EPFL-Forscher mit diesem Ansatz erstmals Farbstoffsolarzellen mit einem Wirkungsgrad von 15,2 Prozent unter globalem, simuliertem Standard-Sonnenlicht, wobei die langfristige Betriebsstabilität über 500 Stunden getestet wurde. Durch die Vergrößerung der aktiven Fläche auf 2,8 Quadratzentimeter sei der Wirkungsgrad der Energieumwandlung auf 28,4 bis 30,2 Prozent über einen weiten Bereich von Umgebungslichtintensitäten gesteigert worden. Gleichzeitig hätten die Farbstoffsolarzellen eine hervorragende Stabilität aufgewiesen.
Die Farbstoffsolarzellen sind transparent und können damit in verschiedenen Farben hergestellt werden. Typische Einsatzmöglichkeiten sind Dachfenster, Gewächshäuser oder Glasfassaden. Da sie leicht und flexibel sind, eignen sie sich auch für den Einsatz tragbarer elektronischer Geräte. „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für einen einfachen Zugang zu Hochleistungs-Farbstoffsolarzellen und bieten vielversprechende Aussichten für Anwendungen als Stromversorgungs- und Batterieersatz für elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch, die Umgebungslicht als Energiequelle nutzen“, so die EPFL-Forscher.
Dieser Inhalt ist urheberrechtlich geschützt und darf nicht kopiert werden. Wenn Sie mit uns kooperieren und Inhalte von uns teilweise nutzen wollen, nehmen Sie bitte Kontakt auf: redaktion@pv-magazine.com.
Was bedeutet in diesem Artikel „Umgebungslicht“? Ist das ein Übersetzungsfehler? Wenn etwas bei Umgebungslicht einen höheren Wirkungsgrad hat als bei direkter Bestrahlung, bedarf es wohl einer näheren Erläuterung.
Ich gehe davon aus, dass es um diffuses Licht wie beispielsweise durch Bewölkung oder schlicht um Schatten geht. Da kann natürlich der Wirkungsgrad höher sein… heißt ja nichts anderes, als eine bessere Ausbeute der einfallenden Strahlung.