Grätzel-Zelle

Die Grätzel-Zelle (auch Farbstoffsolarzelle) dient der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Es handelt sich um eine Anwendung aus der Bionik, die ihrer Funktion nach auch elektrochemische Farbstoff-Solarzelle genannt wird. Diese Solarzelle ist nach Michael Grätzel (EPFL, Lausanne, Schweiz) benannt, der sie Anfang der 1990er Jahre entdeckte und 1992 patentieren ließ.

Die elektrochemische Farbstoff-Solarzelle verwendet zur Absorption von Licht nicht ein Halbleitermaterial, sondern organische Farbstoffe, zum Beispiel den Blattfarbstoff Chlorophyll.

Aufbau

Die Grätzel-Zelle besteht aus zwei planaren (Glas-) Elektroden mit einem Abstand von typischerweise 20 - 40 µm (1 µm = 1 Tausendstel Millimeter) zueinander. Die beiden Elektroden sind auf der Innenseite mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht (z.B. FTO - Fluorine doped TinnOxide; fluor-dotiertes Zinnoxid; F:SnO₂) beschichtet, welche eine Dicke von typischerweise 0,5 µm aufweist. Die beiden Elektroden werden gemäß ihrer Funktion Arbeitselektrode (Generierung von Elektronen) und Gegenelektrode genannt. Auf der Arbeitselektrode ist eine im Bereich um 10 µm dicke, nanoporöse Schicht Titandioxid (TiO₂) aufgebracht. Auf dessen Oberfläche wiederum ist eine Monolage eines lichtsensiblen Farbstoffes adsorbiert. Auf der Gegenelektrode befindet sich eine wenige µm dicke katalytische Schicht (zumeist Platin). Der Bereich zwischen den beiden Elektroden ist mit einem Redoxelektrolyt, z.B. eine Lösung aus Iod (I₂) und Kaliumjodid, gefüllt.

Funktion

Beim Lichteinfall - günstigerweise durch die mit TiO₂ beschichtete Elektrode - wird der Farbstoff chemisch angeregt und injiziert Elektronen in das Halbleitermaterial TiO₂. Von dort wandern diese zur Arbeitselektrode (Kathode) und über einen äußeren Stromkreis zur Gegenelektrode (Anode). Der Farbstoff wird durch das Jodid wieder reduziert, das dadurch zu Jod oxidiert. Das entstandene Jod wiederum wird an der Anode mit dem Elektron wieder zu Jodid reduziert. Es bildet sich somit ein innerer Stromkreislauf über den Elektrolyten aus (Lochleiter) als auch ein äußerer Stromkreis über die fließenden Elektronen.
Dieser Vorgang stellt - vereinfacht gesagt - eine technische Photosynthese dar.

Bedeutung

Die Vorzüge der Grätzel-Zelle können in den prinzipiell niedrigen Herstellungskosten und in der geringen Umweltbelastung bei der Herstellung liegen. Die Zelle kann diffuses Licht im Vergleich zu den herkömmlichen Solarzellen gut nutzen. Im Labor konnten Zellen bis 11,2 % Wirkungsgrad (zertifiziert) auf einer Fläche von 1 cm² hergestellt werden.

Die Funktionsweise der Zelle ist allerdings noch immer nicht im Detail geklärt. Auch über die Langzeitstabilität können noch keine gesicherten Aussagen gemacht werden (mit anderen Worten: Die Stabilität über lange Zeit ist noch nicht nachgewiesen.). Bei Untersuchungen aus dem Jahre 2003 allerdings ließ die Effizienz nach 1000 Stunden bei 80 °C nur um ca. 6 Prozent (relativ) nach. Die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.

Aufgrund der Möglichkeit, Farbstoffsolarzellen semi-transparent und farbig gestalten zu können, werden die ersten Anwendungen bei der Integration in Gebäudefassaden und Oberlichtern erwartet.

Aufskalierung

Eine große Hürde für die Farbstoffsolarzellen-Technologie auf ihrem Weg vom Labormaßstab zu großflächigen Anwendungen ist die langzeitstabile Versieglung des Elektrolyten. Als Lösungsansätze existieren vor allem heißschmelzende Polymerkleber, Epoxykleber und Glaslote. Insbesondere Glaslote haben das Potential, eine chemisch und thermisch langzeitstabile Versiegelung zu gewährleisten.

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Farbstoffsolarmodule der Größe 30 x 30 cm² in verschiedenen Designs und Farben. Die Verkapselung besteht aus chemisch und thermisch sehr stabilem Glaslot, um eine langzeitstabile Versiegelung des Elektrolyten zu gewährleisten.

Weblinks

http://www.sfv.de/briefe/brief95_3/sob95314.htm Funktionsweise
http://www.science-forum.de/download/graetzelmittel.pdf
http://www.uni-bayreuth.de/departments/didaktikchemie/cnat/kunststoffe/solarzelle_l.htm Herstellung im Versuch
http://www.fws-darmstadt.de/conpresso/_data/Waldorfschule_Da_Farbstoff-Solarzelle.pdf ausführliches Schülerprojekt zur Grätzelzelle
http://www.farbstoffsolarzelle.de

Literatur

* M. Graetzel, P. Liska: Photoelectrochemical Cells and Process for Making Same. US Patent, 5,084, 365, (1992)