Grätzel-ZelleDie Grätzel-Zelle (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 Prof. 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. AufbauEine Grätzel-Zelle ist ca. 10 bis 20 mm dick und wird begrenzt durch zwei als Elektroden dienende Glasplatten, zwischen denen sich die lichtabsorbierende Schicht befindet. Die Glasplatte auf der lichtzugewandten Seite dient als Kathode und ist auf der Innenseite leitend beschichtet mit Fluor-dotiertem SnO2 mit beispielsweise Platininseln. Die Innenseite der rückseitigen Glasplatte ist mit Fluor-dotiertem SnO2 beschichtet und dient als Gegenelektrode (Anode). Auf die rückseitige Glasplatte wird eine poröse Halbleiterschicht (z. B. Titandioxid (TiO2)) aufgebracht, die Träger des lichtempfindlichen Farbstoffes ist. Durch Füllen der gesamten Anordnung mit einem sehr gut leitenden Elektrolyten wird der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden hergestellt. Als Elektrolyt kommt beispielsweise eine Lösung von Iod (I2) und Kaliumjodid in Frage. Der Elektrolyt erfordert eine besonders gute Abdichtung der Zelle und er muss chemisch besonders rein sein.FunktionDer Farbstoff dient als Lichtakzeptor und Elektronenpumpe. Bei Lichteinfall werden Elektronen aus dem Farbstoff gespalten. Durch Abgabe der Elektronen an den Halbleiter oxidiert der Farbstoff. Die Elektronen fließen zur Kathode und durch den Laststromkreis zur Anode. Der Farbstoff wird vom Jodid wieder reduziert, das dadurch zu Jod oxidiert. Das entstandene Jod wird an der oberen Elektrode wieder zu Jodid reduziert.Dieser Vorgang stellt vereinfacht gesagt eine technische Photosynthese dar. BedeutungDie 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 mit den herkömmlichen Solarzellen gut nutzen. Bei experimentellen Zellen wurden Wirkungsgrade bis ca. 15 % (Bei dieser Zelle gab es erhebliche Diskussionen bezügl. Messfehler, da es sich nur um eine winzige Zelle handelte. Je kleiner die aktiven Flächen, desto größer die möglichen Flächen- u. Beleuchtungsstärke-Fehler.) erreicht, unter realen Bedingungen (Laborbedingungen wäre hier treffender. Real sollte z. Z. mit 7 % gerechnet werden.) liegt der Wirkungsgrad bei ca. 10 %. Die Funktionsweise der Zelle ist allerdings noch immer nicht im Detail geklärt. Auch über die Langzeitstabilität können noch keine gesicherten Aussagen gemacht werden (Mit anderen Worten: (Langzeit)Stabilität ist noch nicht nachgewiesen.), bei Untersuchungen aus dem Jahr 2003 allerdings ließ die Effizienz nach 1000 h bei 80 °C nur um ca. 6 % (relativ) nach. Die kommerzielle Anwendung gilt als recht sicher, ist aber produktionstechnisch noch nicht in Sicht.Weblinks
Literatur
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