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Grätzel-Zelle

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Die Grätzelzelle (auch Farbstoffsolarzelle) dient der Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie. Es handelt sich um eine Anwendung aus der Bionik, die ihrer Funktion nach auch elektrochemische Farbstoff-Solarzelle genannt wird. Diese Solarzelle ist nach Michael Grätzel (EPFL, Lausanne, Schweiz) benannt, der sie Anfang der 1990er Jahre entdeckte und 1992 patentieren ließ.

Die elektrochemische Farbstoff-Solarzelle verwendet zur Absorption von Licht nicht ein Halbleitermaterial, sondern organische Farbstoffe, zum Beispiel den Blattfarbstoff Chlorophyll.

Bild:Grätzelzellembs.jpg
Grätzelzelle (Schulprojekt)


Inhaltsverzeichnis

Aufbau

Die Grätzel-Zelle besteht aus zwei planaren (Glas-) Elektroden mit einem Abstand von typischerweise 20 - 40 µm (1 µm = 1 Tausendstel Millimeter) zueinander. Die beiden Elektroden sind auf der Innenseite mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Schicht (z.B. FTO - Fluorine doped TinOxide; fluor-dotiertes Zinndioxid; F:SnO2) beschichtet, welche eine Dicke von typischerweise 0,5 µm aufweist. Die beiden Elektroden werden gemäß ihrer Funktion Arbeitselektrode (Generierung von Elektronen) und Gegenelektrode genannt. Auf der Arbeitselektrode ist eine im Bereich um 10 µm dicke, nanoporöse Schicht Titandioxid (TiO2) aufgebracht. Auf dessen Oberfläche wiederum ist eine Monolage eines lichtsensiblen Farbstoffes adsorbiert. Auf der Gegenelektrode befindet sich eine wenige µm dicke katalytische Schicht (meist Platin). Der Bereich zwischen den beiden Elektroden ist mit einem Redoxelektrolyt, z.B. eine Lösung aus Iod (I2) und Kaliumiodid, gefüllt.

Funktion

Bild:Grätzelzellewikipedia.png
Funktionsprinzip der Grätzelzelle

Dieser Vorgang stellt - vereinfacht gesagt - eine technische Photosynthese dar.


Das Redoxsystem I-/I3- ist im Prinzip eine Elektronen „transportierende“ oder „leitende“ Flüssigkeit. Das mit Farbstoff benetzte TiO2 ist in einer hauchdünnen Schicht auf eine ITO-Glasscheibe oder TCO-Glasscheibe aufgetragen. ITO und TCO Glas ist elektrisch leitfähiges transparentes Glas. Als Gegenelektrode wird üblicherweise eine mit Graphit oder Platin beschichtete Platte verwendet. Wir haben in der vorliegenden Arbeit die Kathode modifiziert. Dabei wurde durch die positiv dotierte Polypyrrolelektrode deren Elektronen saugende Wirkung auf den durch Licht induzierten Redoxprozess untersucht. Der Elektrolyt wurde dabei teilweise in das Kathodenmaterial integriert. Als Farbstoff wurden primär Brombeer- und Hibiskusteeextrakte (Anthocyane) verwendet, welche gut in einer monomolekularen Schicht auf dem TiO2 haften. Titandioxid ist ein n-Halbleiter und für Nanofilme ein geeignetes Material. Es ist aber im sichtbaren Bereich nicht sensibel und absorbiert erst im nahen UV-Bereich, da der Bandabstand zwischen dem Valenz- und Leitungsband 3,2 eV beträgt, einer Energie, die nach W = h c/ einer Wellenlänge kleiner als 400 nm entspricht, um ein Elektron vom Valenz- in das Leitungsband zu befördern. Farbstoffe, wie Anthocyane, vermögen über Hydroxylgruppen an die TiO2-Oberfläche zu binden und mittels Energietransfer den Halbleiter auch im sichtbaren Bereich des Spektrums zu sensibilisieren.

Anregung: 2 Fs + h x f --> 2 Fs*

Das angeregte Farbstoffmolekül (Fs*) überträgt Elektronen in das Leitungsband des TiO2.

2 Fs* + 2 TiO2 --> 2 Fs+ + 2 (TiO2 + e-)

Das an der Anode entstehende atomare Iod wird molekular (I2) und dieses reagiert mit I- -Ionen zu I3-. Diese werden wieder an der Kathode zu 3 I- regeneriert.

Einige wissenschaftliche Fragestellungen, die direkt an die in der Grafik makierten Teilprozesse (1)-(3) anknüpfen, sind in den letzten 10 Jahren geklärt worden. So wurden z.B. die Prozesse (1) und (3) mit zeitaufgelösten Messtechniken direkt gemessen, mit dem Ergebnis, dass der Injektionsprozess (1) weniger als 25 Femtosekunden dauert, die Rückkehr es Elektrons aus dem TiO2 auf den ionisierten Farbstoff Millisekunden benötigt, bei Zugabe des I3-/I- Redoxsystems aber der Farbstoff bereits nach ca. 100 Nanosekunden wieder regeneriert wird.

Wesentliche Leistungssteigerungen wurden hinsichtlich der Beschichtung der Kathode mit leitfähigem Polymer, wie Polypyrrol, erzielt.

Bedeutung

Die Vorzüge der Grätzel-Zelle können in den prinzipiell niedrigen Herstellungskosten und in der geringen Umweltbelastung bei der Herstellung liegen. Die Zelle kann diffuses Licht im Vergleich zu den herkömmlichen Solarzellen gut nutzen. Im Labor konnten Zellen bis 11,2 % Wirkungsgrad (zertifiziert) auf einer Fläche von 1 cm² hergestellt werden.

Die Funktionsweise der Zelle ist allerdings noch immer nicht im Detail geklärt. Auch die Stabilität über lange Zeit ist noch nicht nachgewiesen. Bei Untersuchungen aus dem Jahre 2003 allerdings ließ die Effizienz nach 1000 Stunden bei 80 °C nur um ca. 6 Prozent (relativ) nach. Die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, da eine neue Methode, bei welcher die Zellen komplett gedruckt werden können, auch die industrielle Herstellung vereinfacht.

Die von verschiedenen Herstellern wie Konarka und Sustainable Technologies International (STI) bereits seit Jahren angekündigten, aber noch nicht erhältlichen Produkte werden zunächst nur für Nischenanwendungen im Bereich "mobile Energie" in Betracht kommen. Beispiele: faltbare Solarladegeräte für Mobiltelefone oder Notebooks, energieerzeugende Zeltplanen für das Militär. Für netzgekoppelte Systeme sind die derzeitigen Wirkungsgrade und zu erwartenden Lebensdauern noch erheblich zu kurz. Die in diesem Bereich marktbeherrschenden kristallinen Solarzellen haben nachgewiesene Lebensdauern und Lebensdauergarantien vom Hersteller von mehr als 20 Jahren.

Farbstoffsolarzellen lassen sich so auch semi-transparent und farbig gestalten, so dass die ersten Anwendungen in der Integration in Gebäudefassaden und Oberlichtern bald zu finden sein werden.

Aufskalierung

Eine große Hürde für die Farbstoffsolarzellen-Technologie auf ihrem Weg vom Labormaßstab zu großflächigen Anwendungen ist die langzeitstabile Versiegelung des Elektrolyten. Als Lösungsansätze existieren vor allem heißschmelzende Polymerkleber, Epoxykleber und Glaslote. Insbesondere Glaslote haben das Potential, eine chemisch und thermisch langzeitstabile Versiegelung zu gewährleisten.

Bild:DSC Modules.jpg

Farbstoffsolarmodule der Größe 30 x 30 cm² in verschiedenen Designs und Farben. Die Verkapselung besteht aus chemisch und thermisch sehr stabilem Glaslot, um eine langzeitstabile Versiegelung des Elektrolyten zu gewährleisten.

Weblinks

Literatur

* M. Graetzel, P. Liska: Photoelectrochemical Cells and Process for Making Same. US Patent, 5,084, 365, (1992)

Wikipedia
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