Letzte Aktualisierung: 16.09.2020

Organische Grätzel-Zellen: Funktionsweise & technische Weiterentwicklung

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  • Die Funktionsweise der sogenannten „Grätzel-Zelle“ ahmt den natürlichen Prozess der Photosynthese in Pflanzen nach. Die Rolle des natürlichen Farbstoffs Chlorophyll übernehmen dabei sensibilisierende künstliche Farbstoffmoleküle: Sie übertragen Elektronen auf ein Netz von Nanopartikeln aus Halbleiteroxiden, das elektrische Energie erzeugt.
  • Im Gegensatz zu herkömmlichen Solarzellen aus hochreinem und teurem Silizium können für die Grätzel-Zelle relativ preiswerte Materialien verwendet werden. Derzeit sind die leistungsfähigsten fotoaktiven Moleküle jedoch metallorganische Komplexe auf der Basis seltener Metalle (Ruthenium) oder schwer synthetisierbarer Materialien (Zinkporphyrin-Derivate).
  • In ihrer Weiterentwicklung wurden die organischen Farbstoffe mittlerweile durch das Material Perowskit und der flüssige Elektrolyt durch organische Halbleiter ersetzt. Die sogenannten Perowskit-Solarzellen erzielen heute einen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität von über 25% und zeichnen sich damit sowohl durch Stabilität als auch Effizienz aus.

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So funktionieren „Grätzel-Zellen“

„Grätzel-Zellen“ zählen zu den Farbstoffsolarzellen und sind in den letzten Jahrzehnten von reinen Forschungsobjekten im Labor bis zur Marktreife entwickelt worden. In ihnen erfolgt die Lichtabsorption im Gegensatz zu den meisten Photovoltaikmodulen durch molekulare Farbstoffe. Diese befinden sich in einer Grätzel-Zelle allerdings nicht in Lösung, sondern werden auf preisgünstigen, leitenden Materialien immobilisiert (z. B. Titandioxid-Partikel).

Die auf diese Weise „kontaktierten“ Pigmente injizieren nach Anregung durch Licht Elektronen in die leitende Schicht, von wo sie Richtung Verbraucher fließen. An diesen Prozess gekoppelte Reaktionen an einer Gegenelektrode sowie der über einen Flüssigelektrolyten vermittelte Elektronenfluss schließen den Stromkreis der Grätzel-Zelle.

Der effiziente Ladungstransport durch das gesamte System und vor allem die Langzeitstabilität der molekularen Farbstoffe stellen noch zu lösende Probleme dar. In den letzten Jahren konnten hier aber wichtige Durchbrüche erreicht werden, sodass die erkennbaren Vorteile von Farbstoffsolarzellen – ihr günstiger Preis, die Verarbeitung in fast beliebiger Farbe und Form und die gute Energieumwandlungseffizienz – in Zukunft in größerem Umfang nutzbar werden könnten.

Erfindung der Grätzel-Solarzelle

Erfinder der „Grätzel-Zelle“ ist Professor Michael Grätzel* von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Schweiz. Entwickelt hat Grätzel die Grätzelzelle in den 1980er Jahren, 1992 wurde sie zum Patent angemeldet.

Grätzel leistete mit der Entwicklung der Farbstoffsolarzelle (englisch dye-sensitized solar cell, DSSC) - der „Grätzelzelle“ - Pionierarbeit. Mit dem revolutionären Ansatz, zum Beispiel den Blattfarbstoff Chlorophyll zur Absorption von Licht zu verwenden, hat er den photovoltaischen Umwandlungsprozess der natürlichen Photosynthese erfolgreich nachgeahmt. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen können zum Beispiel als leichte flexible Zellen für die Stromversorgung von tragbaren elektronischen Geräten dienen.

Michael Grätzel wurde 1944 in Dorfchemnitz in Sachsen geboren und studierte Chemie an der Freien Universität Berlin. 1972 wurde er in Physikalischer Chemie an der Technischen Universität Berlin promoviert. Nach einem Postdoctoral Fellowship an der University of Notre Dame in den USA habilitierte er sich 1976 an der FU Berlin und wechselte im Anschluss als Associated Professor für Physikalische Chemie an die École Polytechnique Fédérale in Lausanne (EPFL). 1981 wurde er als Professor und Direktor des Laboratory of Photonics and Interfaces an der EPFL berufen.

Neben mehreren Gastprofessuren in Singapur, Paris und Berkeley hat er zahlreiche hochrangige Auszeichnungen erhalten. Grätzels h-Index – eine Kennzahl für das weltweite Ansehen eines Wissenschaftlers oder einer Wissenschaftlerin in Fachkreisen, basierend auf der Anzahl der Zitate in anderen Publikationen – liegt bei 250.

Weiterentwicklung farbstoffbasierter Solarzellen

Organische Solarzellen wie die Grätzel-Zelle bestehen aus Farbstoffen, die auf Übergangsmetall-Komplex-Verbindungen basieren. Sonnenlicht regt die äußeren Elektronen des Komplexes so an, dass sie von Orbitalen am Metallzentrum in Orbitale angrenzender Verbindungen transportiert werden. Bisher ging man davon aus, dass bei diesem Prozess Ladungsträger räumlich getrennt werden, welche dann abgezogen werden, sodass ein elektrischer Strom fließen kann. Dass dies nicht so ist, hat 2019 ein Team um Alexander Föhlisch am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) aufklären können.

Mithilfe der kurzen Röntgenpulse von BESSY II im Low-Alpha-Betrieb konnten sie Schritt für Schritt verfolgen, welche Prozesse die Anregung durch Licht (Laserpuls) in einem Eisenkomplex auslöst. Mit Hilfe von theoretischen Berechnungen konnten sie die Messdaten aus der zeitaufgelösten Röntgenabsorptions-Spektroskopie sehr genau interpretieren. Dabei ergibt sich folgendes Bild: Der Laserpuls sorgt zunächst tatsächlich dafür, dass Elektronen vom 3d-Orbital des Eisenatoms auf die angrenzenden Liganden delokalisiert werden. Diese Liganden schieben allerdings ihrerseits sofort Ladung zurück in Richtung des Metall-Atoms, wodurch der Verlust elektronischer Ladung am Metall und die damit ursprünglich verbundene Ladungstrennung sofort kompensiert wird.

Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neue Materialien für Farbstoffsolarzellen zu entwickeln. Denn bisher werden standardmäßig Ruthenium-Komplexe in organischen Solarzellen verwendet. Ruthenium ist jedoch ein seltenes Element und entsprechend teuer. Eisen-Komplexe wären deutlich billiger, weisen aber hohe Rekombinationsraten auf. Weitere Untersuchungen werden zeigen, worauf es bei Übergangsmetall-Komplexen ankommt, damit Licht effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

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* O’Regan, B. und Grätzel, M.: A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films, In: Nature, 353, 1991, S. 737–740.

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