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: Ein Hauch von Hibiskus

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Fünfundvierzig Minuten Arbeitszeit, das steht ganz oben im Skript. Dann die Zutaten: Tesafilm, Hibiskusblüten, getrocknet, Titandioxid in Pulverform, zwei beschichtete Objektträger, Iod/Iodid-Lösung. Die Bauanleitung für die Solarzelle ...

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          Fünfundvierzig Minuten Arbeitszeit, das steht ganz oben im Skript. Dann die Zutaten: Tesafilm, Hibiskusblüten, getrocknet, Titandioxid in Pulverform, zwei beschichtete Objektträger, Iod/Iodid-Lösung. Die Bauanleitung für die Solarzelle zum Selberbasteln kann man sich aus dem Internet laden - man findet sie unter dem Suchwort "Grätzelzelle".

          Michael Grätzel, so heißt der Professor an der École Polytechnique Fédérale in Lausanne, der die Farbstoffsolarzelle Anfang der neunziger Jahre erfand. "Der Ölpreis lag damals bei fünf Dollar pro Fass, da war für solche Forschung sehr wenig Interesse da", erinnert sich der 64-Jährige. Heute ist Strom aus Sonne gefragt, und die Farbstoffsolarzelle steht kurz vor der Serienfertigung.

          Kernstück der Grätzelzelle ist ein organischer Farbstoff, der auf eine Schicht Titandioxid aufgebracht ist. Der Farbstoff absorbiert Licht und erzeugt dabei Ladung in Form von Elektronen, die er an das Titandioxid weitergibt. "Das haben wir uns von der Photosynthese abgeschaut", sagt Grätzel. In grünen Pflanzen absorbiert das Pigment Chlorophyll Lichtteilchen, sogenannte Photonen, und gibt ebenfalls Elektronen ab. Künstliche Photosynthese wird die Farbstoffsolarzelle daher manchmal genannt.

          Titandioxid kennt man als weißes Pigment in Farben, es steckt aber auch in Zahnpasta und Sonnencreme. Es ist billig, ungiftig, und wenn es in Nanopartikeln vorliegt, transparent. Außerdem ist Titandioxid, genauso wie Silicium, ein Halbleiter. Allerdings ein schwacher, weshalb es, anders als Silicium, nicht allein zur Photovoltaik taugt. Mit etwas Farbe sieht das schon anders aus. Organische Farbstoffe, die Licht absorbieren und dabei leicht Elektronen abgeben, sind in der Natur weit verbreitet. Chlorophylle gehören dazu, aber auch Anthocyane - sie geben blau-violetten Blüten und Früchten ihre Farbe. Auch Hibiskusblüten enthalten Anthocyane - darum eignen sie sich für den Versuchsaufbau. Die Farbmoleküle bilden mit dem Titandioxid ein molekulares Konglomerat, eine sogenannte Komplexverbindung. Wenn die Farbe dann durch Licht angeregt wird, überträgt sie Elektronen auf den Halbleiter. Anstatt also wie beim Silicium die Elektronen aus dem Halbleiter selbst so anzuregen, dass sie als elektrischer Strom fließen, liefert der Farbstoff die Elektronen für den Stromfluss. Dieses Verfahren heißt Photosensibilisierung, weil ein unempfindlicher Halbleiter dabei lichtempfindlich wird.

          Die Zellen, die heutzutage entwickelt werden, enthalten natürlich keine Hibiskusblüten. Pflanzliche Farbstoffe wären nicht stabil genug. Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg entwickeln Wissenschaftler zurzeit Zellen, die einen metallorganischen Farbstoff auf Rutheniumbasis verwenden. "Er ist sehr stabil und effizient", sagt Andreas Hinsch, Physiker am ISE. Weil der Farbstoff in einer einzigen Molekülschicht an der Oberfläche des Titandioxids liegt, braucht man auch nur sehr wenig davon.

          Dass die Sache mit der Sensibilisierung wirklich funktioniert, glaubte Anfang der neunziger Jahre allerdings keiner. Um damit einen Stromfluss zu erzeugen, so die Lehrmeinung, müsste die Oberfläche, an der die Ladung übertragen wird, riesengroß sein. Erst dann können genügend Farbstoffmoleküle mit direktem Kontakt zum Halbleiter Licht absorbieren und Elektronen übertragen. "Zu diesem Zeitpunkt wusste allerdings niemand, wie man überhaupt solche Oberflächen herstellt", erzählt Michael Grätzel.

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