Grätzelzelle

Noch immer sind herkömmliche Silicium-Solarzellen teuer und energieaufwändig in der Herstellung. Noch immer ist der Wirkungsgrad nicht zufriedenstellend. Doch was wäre, wenn man die Sonnenenergie genauso effektiv nutzen könnten wie dies die Pflanzen seit Millionen Jahren bereits tun? Inspiriert von diesem Grundgedanken erfand der Prof. Michael Grätzel 1991 eine alternative Solarzelle. Der Grundgedanke war eine Solarzelle zu erschaffen, die wesentlich kostengünstiger und umweltverträglicher in der Herstellung wäre und dabei noch mehr Energieumsatz liefert.

Im Gegensatz zum Einsatz von Halbleitermaterialien zur Umsetzung von Sonnenenergie in elektrischen Strom bedient sich die Grätzelzelle pflanzlicher Farbstoffe, die die Sonnenenergie speichern und wieder abgeben können. Vorbild dafür war das pflanzliche Chlorophyll. Anstatt der Umsetzung der Sonnenenergie in Glucose und damit chemische Energie, wandeln die Farbstoffe der Grätzelzelle das einstrahlende Licht in benötigte elektrische Energie um. Im Detail funktioniert dies so: Die Moleküle der Farbstoffe sind zwischen dünnen, leitenden Glasschichten (TCO-Glas) angeordnet. Die Elektronen der Farbstoffe absorbieren die Energie des einstrahlenden Sonnenlichts. Ein zusätzliches Elektrolyt im Farbstoff befähigt dann die Elektronen dazu sich frei zu bewegen. Wird nun ein Verbraucher angelegt, entsteht ein elektrischer Stromfluss entlang der Oxidschicht der TCO-Glasplatten. Die obere Glasschicht besitzt darüber hinaus noch eine Beschichtung aus Titandioxid, die dafür sorgt, dass die Farbmoleküle an der Unterseite der oberen Glasplatte haften und somit großflächig Sonnenlicht absorbieren können. Die Oberseite wird daher Photoelektrode genannt, während die untere Glasschicht als Gegenelektrode bezeichnet wird und dafür sorgt, dass die geladenen Elektronen in die Grätzelzelle aufgenommen und weitergegeben werden können.

Obgleich das Konzept der Grätzelzelle vielversprechend ist und seit 25 Jahren bekannt ist, liegt der Wirkungsgrad immer noch unter den herkömmlicher Siliciumsolarzellen. Normale Solarzellen haben derzeit einen Wirkungsgrad von 20 Prozent und mehr. Eine Grätzelzelle schafft im Optimum um die 10 Prozent, wenn künstliche Farbstoffe verwendet werden, und nur bis zu zwei Prozent, wenn tatsächliche Pflanzenfarbstoffe verwendet werden. Die Suche nach einem geeigneten Farbstoff stellt daher die Hauptaufgabe der Forschung an der Grätzelzelle dar, um ihren Energieumsatz weiter zu erhöhen.

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