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Solarenergie : Günstige Farbe für Solarzellen

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Farbstoffsolarzellen lassen sich prinzipiell mit industriellen Fertigungsverfahren herstellen und in Photovoltaik-Module integrieren. Der abgebildete Prototyp wurde im Rahmen des Verbundprojekts ColorSol des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation in Stuttgart gebaut (www.colorsol.de). Bild: Zuckerfabrik Fotodesign

Farbstoffsolarzellen sind noch immer zu teuer, um breite Anwendung zu finden. Ein Grund ist der Farbstoff auf Basis von Ruthenium. Dank eines Zufalls sind Schweizer Forscher auf eine günstige und nachhaltige Alternative gestoßen.

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          Farbstoffsolarzellen werden seit beinahe zwanzig Jahren als günstige und nachhaltige Alternative zu Solarzellen aus Silizium erforscht, haben aber bisher nur Nischenanwendungen gefunden. Sie bestehen aus Farbstoffmolekülen, die an der Oberfläche des Halbleiters Titandioxid verankert sind. Ähnlich wie bei der Photosynthese in Pflanzen setzt einfallendes Licht in dem Farbstoff Elektronen frei, die in dem Halbleiter einen Strom erzeugen. Die hauptsächlich verwendeten Farbstoffe sind Komplexe des seltenen und teuren Übergangsmetalls Ruthenium.

          Auf der Suche nach günstigerem Farbstoff sind Chemiker von der Universität Basel auf eine neuartige organische Verbindung auf der Basis von Zink gestoßen. Da Zink eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste ist, könnte die Produktion von Farbstoffsolarzellen dadurch nicht nur preiswerter, sondern auch nachhaltiger werden.

          Prototyp einer Farbstoffzelle auf Basis eines ZInkkomplexes

          Vom Zufallsfund zur Technologie

          Wie die Forscher um Edwin Constable in der Zeitschrift „Chemical Communications“ (doi:10.1039/c2cc31729j) berichten, war die Entdeckung des Zink-Farbstoffs ein Zufallsfund, da die meisten Zinkverbindungen farblose Substanzen bilden. Sie hatten das orange leuchtende Material entdeckt, als sie mit organischen Verbindungen für neuartige Beleuchtungssysteme experimentierten und dabei chemische Komplexe auf Basis verschiedener Metalle des Periodensystems ausprobierten. Dabei waren sie zuerst auf Kupfer gestoßen, dessen Preis pro Kilogramm (6,30 Euro) nur noch etwa ein Fünfhundertstel der Kosten von Ruthenium beträgt (3000 Euro pro Kilogramm). Die Forscher entwickelten ein Verfahren, das es gleichzeitig erlaubt, den Zink-Farbstoff zu synthetisieren und ihn auf einer Oberfläche aus Titandioxid-Nanopartikeln zu verankern.

          Sorgenkind Wirkungsgrad

          Kopfzerbrechen bereitet den Forschern noch der geringe Wirkungsgrad der kostengünstigen und umweltschonenden Farbstoffsolarzellen. Er liegt noch bei unter einem Prozent im Vergleich zu maximal elf Prozent bei anderen Typen von Farbstoffsolarzellen. Damit die Solarzellen für praktische Anwendungen tauglich werden, wollen die Forscher als Nächstes den Wirkungsgrad deutlich steigern. Ebenso wollen sie die Zellen einem Langzeittest unterziehen.

          Erste Messungen haben bereits gezeigt, dass die elektrischen Eigenschaften zwei und sieben Tage nach der Versiegelung der Solarzellen nahezu konstant geblieben waren. Die Vision von Constable und seinen Kollegen ist die Symbiose von Photovoltaik und Beleuchtungstechnik etwa in intelligenten Vorhängen. Die Vorhänge würden tagsüber Sonnenenergie speichern und nachts das Zimmer beleuchten.

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