Wie die Photosynthese der grünen Pflanzen funktioniert, lernen Schüler schon recht früh im Biologieunterricht. Und die meisten vergessen es genauso schnell wieder. Nicht Andreas Hinsch. Der Wissenschaftler am Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg beschäftigt sich tagtäglich mit der chemischen Wechselwirkung von organischen Metallkomplexen und Licht. Hinsch und seine Kollegen entwickeln elektrochemische Farbstoff-Solarzellen. „Der Grundmechanismus der Stromgewinnung ist dem Prozess der natürlichen Photosynthese sehr ähnlich,“ sagt der Wissenschaftler.
In der Pflanzenzelle absorbiert das eisenhaltige Chlorophyll Licht und erzeugt dabei elektrische Ladungen. Diese Ladungen werden von anderen Molekülen weitertransportiert und letztendlich in chemische Energie umgewandelt. In Farbstoff-Solarzellen übernehmen Komplexe des seltenen Metalls Ruthenium die Aufgabe des Chlorophylls. Sie absorbieren Lichtenergie und übertragen Ladungen auf Titandioxid (TiO2) als Halbleiter. Damit wird das TiO2, das eigentlich erst im nahen UV-Bereich absorbiert, bereits mit sichtbarem Licht aktiviert.
Die Wechselwirkung zwischen Farbstoff und Licht ist nicht vom Winkel des eingestrahlten Lichts abhängig. Außerdem werden die elektrischen Ladungen auf verschiedene Moleküle verteilt und rekombinieren nicht so schnell. „Daher hat diese Art von Zellen auch bei diffusem Licht noch eine hohe Stromausbeute,“ betont Hinsch.
Basis für alle Farbstoff-Solarzellen ist die so genannte Grätzel-Zelle. Sie besteht aus zwei planaren Glaselektroden, die elektrisch leitfähig beschichtet sind. Auf der Arbeitselektrode ist eine zehn Mikrometer dünne Schicht Titandioxid aufgebracht. Die TiO2-Teilchen sind nur wenige Nanometer dick und daher transparent. Vor allem aber haben sie eine um den Faktor 1000 größere Oberfläche als ein glatter Film. Der Elektronentransfer in das Leitungsband des TiO2 ist daher besonders effektiv. Auf dem TiO2 ist eine Monolage des Ruthenium-Farbstoffs adsorbiert. Auf der Gegenelektrode liegt eine dünne katalytische Schicht aus Platin. Der Spalt zwischen den beiden Elektroden wird mit einem jodhaltigen Elektrolyten gefüllt, der als leitende Flüssigkeit die Ladungen transportiert.
Geringer Wirkungsgrad
„Die Farbstoff-Solarzelle ist keine Konkurrenz zur herkömmlichen Siliziumzelle“, betont Hinsch. Denn so unterschiedlich die Wirkungsweise, so verschieden sind die Einsatzbereiche der Systeme. Zwar haben japanische Entwickler im Labor Zellwirkungsgrade von über elf Prozent erzielt, die Module aus dem ISE erreichen bislang aber nur vier bis fünf Prozent. Das ist für Anwendungen auf dem Dach oder für PV-Kraftwerke zu gering. Aber die Dünnschichttechnologie hat einen entscheidenden Vorteil. Nahezu sämtliche aktive Schichten der Zelle können aus Nanopartikeln im herkömmlichen Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Das schürt bei den ISE-Forschern die Hoffnung, dass Farbstoff-Solarzellen in Serie weitaus preiswerter hergestellt werden können als Siliziumzellen und der Solartechnik ganz neue Bereiche eröffnet.
Einer dieser Bereiche sind Fassaden. Auf der Messe Nanotech Ende Februar in Tokio haben die Freiburger erstmals ein Fassaden-Modul mit den Abmessungen einer Zimmertür – zwei Meter hoch und 60 Zentimeter breit – präsentiert. Noch ist das Modul nur ein Prototyp, den die Fraunhofer-Forscher zusammen mit Industriepartnern im Rahmen des Projekts ColorSol des Bundesforschungsministeriums entwickelt haben. „Aber wir können damit zeigen, wie umweltfreundliche Stromgewinnung mit ästhetischen Ansprüchen in Einklang zu bringen ist“, sagt Hinsch.
Farbstofflieferant gesucht
Für die Messe in Japan mussten die Fassaden-Module nicht besonders haltbar sein. In der Praxis aber sind Haltbarkeit und Langzeitstabilität entscheidende Parameter. Hier lag bislang eine Schwachstelle der Farbstoff-Solarzellen: Wie gelingt es, das chemische Innenleben dauerhaft und hermetisch abzudichten und so vor Luftsauerstoff und Feuchtigkeit zu schützen? Die Freiburger gehen hier einen neuen Weg. Statt einem polymeren Kleber, wie ihn beispielsweise japanische Firmen verwenden, nutzen sie Glaslot: Das Glaspulver wird im Siebdruck aufgetragen und verschmilzt bei Temperaturen von rund 600 Grad mit den Scheiben. Dauertests bei unterschiedlichen Witterungsverhältnissen haben gezeigt, dass die Zellen auch nach mehreren tausend Stunden noch funktionsfähig sind, meldet das Institut.
Eine zweite Schwachstelle sind die noch recht hohen Kosten des speziellen Farbstoffs. „Für eine industrielle Fertigung wird ein Lieferant für Rutheniumfarbstoff mit gleich bleibender Qualität und möglich konstantem, niedrigem Preisniveau benötigt“, schreibt das Berliner Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit in einer Studie aus dem vergangenen Jahr. Das Institut sieht hierfür vielversprechende Ansätze. Seit 2007 kooperieren die britische Firma G24 Innovations, BASF und das australische Unternehmen Dyesol. Sie wollen mit der Serienfertigung von flexiblen Farbstoff-Zellen starten, bei denen die aktiven Schichten nicht auf Glas, sondern auf eine biegsame Metallplatte aufgebracht werden. Dafür will Dyesol seine Produktion des Farbstoffs ausbauen.
Mit Farbstoff-Solarzellen ließen sich transparente und farbige Fassaden und Oberlichter gestalten, die Sonnenschutz und Stromquelle zugleich sind. Noch in diesem Jahr will das ISE in Zusammenarbeit mit einem Glashersteller ein stromlieferndes Fassadenmodul mit einem halben Quadratmeter aktiver Fläche herstellen. Eine Untersuchung im Auftrag der Internationalen Energieagentur schätzt das Marktpotenzial von Farbstoff-Solarzellen in 14 ausgewählten Mitgliedsländern – darunter USA, Deutschland, Japan und Spanien – im Jahr 2010 auf eine nutzbare Gesamtfläche von bis zu 50.000 Quadratmeter.
Auch die EU sieht in Farbstoff-Solarzellen noch viel PotenziaI. Im dem neuen Forschungsprojekt „Robust-DSC“ wollen Wissenschaftler aus mehreren Ländern bis zum Jahr 2011 Zellen mit mindestens zwölf Prozent Wirkungsgrad und ausreichender Langzeitstabilität entwickeln. Nicht nur das Freiburger Forscherteam, sondern auch das Borderstep-Institut ist optimistisch, dass Strom erzeugende Fassaden den Sprung in den Markt schaffen, denn „für die Bewertung von Farbstoffsolarzellen ist der Vergleich mit Fassadenmaterialien entscheidend“, schreibt das Institut in seiner Studie. Und in diesem Segment „ist die Zahlungsbereitschaft pro Quadratmeter höher als im Bereich klassischer Photovoltaik.“
