Effizienz von Farbstoff-Modulen durch geschickte Architektur verdoppelt

Nanostrukturiertes Zinkoxid

Seattle (USA) - Solarzellen sind derzeit entweder effizient, aber teuer - aus Siliziumkristallen - oder sie sind sehr günstig herzustellen aus leitfähigen Kunststoffen und Farbmolekülen, dann wandeln sie aber nur einen kleinen Bruchteil des Lichtes in elektrischen Strom um. Das könnte sich gerade ändern, denn amerikanische Forscher melden eine deutliche Verbesserung bei Farbstoffsolarzellen auf der Jahrestagung der Chemischen Gesellschaft Amerikas.

Mit einer inneren Struktur à la Popcorn konnten sie die Effizienz der Zellen mehr als verdoppeln. Winzige Körnchen der Halbleiterschicht sind zu größeren Kugeln zusammengeklebt wie Partybälle aus Popcorn. In dieser porösen Struktur hält sich das einfallende Licht länger, so dass es relativ gesehen mehr Strom erzeugen kann. Die ersten Versuche liefen mit dem einfach zu handhabenden, aber chemisch nicht stabilen Zinkoxid, berichteten die Forsche. Die nächsten Versuche wollen sie mit dem ohnehin effizienteren Titanoxid angehen und auch dessen Werte möglichst stark steigern.

"Die Verdopplung hatten wir nicht erwartet. Das könnte zu einem bedeutenden Durchbruch bei Farbstoffsolarzellen führen", so Guozhong Cao, Professor für Materialforschung an der University of Washington und Hauptautor der Untersuchung. Der flexible Solarzellentyp, nach seinem Erfinder auch Grätzel-Zelle genannt, kann derzeit maximal ein Zehntel des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Handelsübliche Solarzellen auf Siliziumbasis schaffen etwa das Doppelte. Der übliche Weg zur Effizienzsteigerung von Farbstoffzellen besteht darin, die Oberfläche des Materials zu maximieren, weil dann die mit Farbstoffmolekülen beschichtete Oberfläche mehr Lichtwellen absorbieren und dabei mehr Elektronen freisetzen kann.

Allerdings liegt hier ein Dilemma: Je kleiner die Halbleiterkörnchen, aus denen Solarzellen bestehen, desto größer ihre Oberfläche pro Volumen und desto mehr Absorption. Andererseits liegen größere Körnchen näher an der Wellenlänge des sichtbaren Lichts und bringen die Strahlen innerhalb der dünnen absorbierenden Oberfläche besser zur abprallenden Zickzackbewegung, was seinerseits die Chance auf Absorption erhöht. Das einfache Mischen von großen und kleinen Körnern brachte keine Verbesserung. Doch die neue Methode aus Seattle löst das Dilemma und optimiert die Ausbeute: Caos Team erzeugte nur sehr kleine Körnchen von rund 15 Nanometern Durchmesser. Diese ließen sie zu größeren Häufchen von rund 300 Nanometern Durchmesser zusammenklumpen. Durch diese innere Struktur entsteht eine Oberfläche von fast 100 Quadratmetern pro Gramm des Materials. Darauf sitzen die Farbstoffmoleküle, aus denen das Licht Elektronen freisetzt, die dann in die halbleitenden Körnchenschicht wandern und zum Stromfluss führen.

Konkret gingen die Forscher von 2,4 Prozent Effizienz für einfache kleine Körnchen aus Zinkoxid aus. Mit dem Popcornkugel-Design erreichten sie mit demselben Material eine Effizienz von 6,2 Prozent. Nun geht es daran, die Methode zu übertragen und zu optimieren, so Cao: "Wir wollten zuerst das Konzept an einem einfacheren Material nachweisen. Jetzt arbeiten wir daran, es auf Titanoxid zu übertragen".