Neues Verfahren steigert Wirkungsgrad von Farbstoffsolarzellen

Farbstoffsolarzellen, die ganz ohne Halbleiter wie Silizium auskommen, sind stabil, günstig zu fertigen und unempfindlich gegen Aufheizung. Ein Forscherteam um Michael Grätzel – den Erfinder der Farbstoffsolarzelle – konnte den Wirkungsgrad nun auf 15 Prozent steigern und stellt damit einen neuen Rekord auf. Wie die Wissenschaftler im Fachblatt „Nature“ berichten, lag der Schlüssel zu diesem Erfolg in einer ausgeklügelten Kombination aus nanokristallinem Titandioxid und einem Kristallfilm aus sogenannten Perowskiten. Mit dem nun erreichten Wirkungsgrad wird das Konzept der Farbstoffsolarzelle für kommerzielle Anwendungen interessanter.

„Anstelle eines molekularen Farbstoffs wird hier ein Perowskitpigment zur Absorption des Sonnenlichts eingesetzt“, erläutert Grätzel von der Technischen Hochschule in Lausanne. Möglich wurde dies durch ein zweistufiges Verfahren. Zuerst verteilten die Wissenschaftler eine Bleiiodidlösung über einen nanoporösen Film aus Titandioxid. Gleichmäßig verteilt lagerte sich das Bleiiodid in die winzigen Poren ein. Benetzt mit einer weiteren iodhaltigen Lösung (CH₃NH₃I) bildete sich der gewünschte kristalline Perowskitfilm 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 einem Wirkungsgrad von 15 Prozent rangieren Farbstoffsolarzellen noch immer hinter Modulen auf Siliziumbasis, die deutlich über zwanzig 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 Solarzellen 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.