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Photovoltaik für Softies

Technik. - Solarzellen bestehen zum allergrößten Teil immer noch aus Silizium, häufig aus dem besonders teuren kristallinen Silizium.Es hat einmal eine Zeit gegeben, da bestanden Solarzellen üblicherweise aus Silizium. Materialforscher suchen nach kostengünstigen Alternativen zu Silizium. Einige davon wurden gerade auf der Euchems in Nürnberg diskutiert, auf der Tagung der europäischen Chemiker.

Von Arndt Reuning | 02.09.2010
    Michael Grätzel, Professor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, ist ein Pionier auf dem Gebiet der Solarzellen, die ohne Silizium auskommen. Nach ihm wurde sogar ein bestimmter Zelltyp benannt, eben die Grätzel-Zelle.

    "Die Farbstoffsolarzelle, die bei uns entwickelt wurde, und die als erste Solarzelle die Methode der natürlichen Photosynthese imitiert."

    Wie auch in der Natur fängt ein Farbstoff das Licht ein. Eine hauchdünne Schicht davon sitzt auf einem Trägermaterial aus Titandioxid. Bei der Wahl der Farbstoffe haben sich einige besonders bewährt.

    "Zum Beispiel Porphyrine, die ja auch von der Pflanze eingesetzt werden und die elektrische Ladungen erzeugen, wie das auch beim grünen Blatt der Fall ist. Das Chlorophyll wird durch Licht angeregt und erzeugt elektrische Ladungen, negative und positive Ladungen, die dann schließlich in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden, um Kohlendioxid zu fixieren und Sauerstoff zu bilden."

    In der Grätzel-Zelle werden die Ladungen jedoch getrennt, so dass ein Strom fließen kann. Entdeckt wurde das Prinzip hinter diesem Zelltyp schon Anfang der Neunziger-Jahre. Weil die aktive Schicht nicht unbedingt wie bei herkömmlichen Zellen auf Glas sitzen muss, sondern auch auf einer durchsichtigen Folie aufgetragen werden kann, lassen sich so biegsame Zellen bauen. Die haben mittlerweile auch den Markt erreicht, sagt Michael Grätzel.

    "Seit letztem Oktober kann man flexible Zellen, die tragbare elektronische Geräte aufladen, kaufen."

    Besonders die Langzeitstabilität wurde in den vergangenen Jahren verbessert. Die Lebensdauer der flexiblen Solarzellen liegt jetzt bei fünf Jahren. Und auch beim Wirkungsgrad hat sich noch einiges getan. Mit gut zwölf Prozent Umwandlungseffizienz lassen sich die Farbstoffzellen mit Dünnschichtzellen aus Silizium durchaus vergleichen. Nicht ganz so gut sieht es aus bei einem zweiten Zelltyp, der ohne Silizium auskommt, bei den organischen Solarzellen. Ihr Wirkungsgrad liegt im Moment noch deutlich im einstelligen Bereich, erklärt Wallace Wong von der Universität von Melbourne.

    "Bei uns im Labor liegt der Rekord bei fünf Prozent. Bei den Systemen, die ich hier auf der Konferenz vorstelle, sind es bloß um die drei."

    Wie effizient Photovoltaik-Zellen das Sonnenlicht umwandeln, hängt auch davon ab, wie gut das Material in der aktiven Schicht die positiven von den negativen Ladungen trennen kann. Und wie gut die Ladungen dann zu den Zellkontakten transportiert werden können. Wallace Wong hat ein Materialsystem aus zwei Komponenten gewählt: aus einem Kunststoff und aus einer Substanz, die aus münzförmigen Molekülen besteht. Die Molekülmünzen lagern sich zu Stapeln zusammen, welche die Plastikschicht wie dünne Leitungen durchziehen. An denen entlang können dann die Ladungen besonders gut wandern. Dass die Effizienz seiner Zellen sich bisher noch nicht mit solchen auf Silizium-Basis vergleichen lässt, stört den Forscher aus Melbourne erst einmal nicht. Denn sie sind sehr leicht und eigenen sich daher besonders für mobile Anwendungen. Und sie haben noch einen zweiten Vorteil, sagt Wallace Wong.

    "Wettbewerbsfähig kann solch eine Technologie auch sein, wenn wir die Zellen kostengünstig herstellen können. Das ist auch ein Gebiet, dem wir uns widmen: Wie lassen sich solche Zellen mit Druckmaschinen herstellen."

    Dazu arbeiten die Forscher mit einer Firma zusammen, die die australischen Dollarnoten herstellt. Denn die bestehen wie die organischen Solarzellen auch – aus Plastik.