Farbstoffsolarzelle: Neues Verfahren führt zu Rekordwirkungsgrad

Lausanne (Schweiz) - Stabil, günstig zu fertigen und unempfindlich gegen Aufheizung: Diese Vorteile bietet die Farbstoffsolarzelle, die ganz ohne Halbleiter wie Silizium auskommt. Nun schaffte es das schweizerische Forscherteam um Michael Grätzel, dem Erfinder der Farbstoffsolarzelle, den Wirkungsgrad mit einem neuen Rekord deutlich zu steigern. Wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“ berichten, lag der Schlüssel zu diesem Erfolg in einer ausgeklügelten Kombination aus nanokristallinem Titandioxid mit einem gleichmäßigen Kristallfilm aus sogenannten Perowskiten. Mit dem nun erreichten Wirkungsgrad von 15 Prozent wird das Konzept der Farbstoffsolarzelle für kommerzielle Anwendungen interessanter, um nicht nur Dächer sondern sogar Hauswände mit Solarmodulen zu bestücken.

„Anstelle eines molekularen Farbstoffs wird hier ein Perowskitpigment zur Absorption des Sonnenlichts eingesetzt“, sagt Grätzel von der Technischen Hochschule in Lausanne. Möglich wurde dies durch ein zweistufiges Verfahren. Zuerst verteilten die Wissenschaftler eine Bleijodid-Lösung über einen nanoporösen Film aus Titandioxid. Gleichmäßig verteilt lagerte sich das Bleijodid in die winzigen Poren ein. Benetzt mit einer weiteren jodhaltigen Lösung (CH3NH3I) bildete sich der gewünschte, kristalline Perowskit-Film aus. Einfallende Lichtteilchen erzeugen hier Elektron-Loch-Paare, die sich auftrennen und so einen Stromfluss erzeugen. Zusätzlich ersetzten Grätzel und Kollegen den vorher flüssigen Elektrolyten durch einen festen organischen Leiter, wodurch die Stabilität dieser Farbstoffzelle verbessert werden konnte.

Mit 15 Prozent Wirkungsgrad rangieren Farbstoffsolarzellen noch immer hinter Modulen auf Siliziumbasis, die deutlich über 20 Prozent erreichen. Dafür lassen sie sich einfacher über die Benetzung mit Flüssigkeiten fertigen. Zudem wandeln Grätzel-Zellen auch diffuses Sonnenlicht bei bewölktem Himmel effizient in elektrischen Strom um. Ausrichtung und Position dieser Solarzellen sind daher weniger wichtig als bei herkömmlichen Modulen. So stehen solche Grätzel-Zellen nicht in direkter Konkurrenz zu Siliziummodulen und könnten an bisher ungenutzten Positionen wie etwa Hauswänden eingesetzt werden. In flexiblen Versionen ist dieser Solarzellentyp auch für den Einsatz in Kleidung oder Rucksäcken geeignet.