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28.02.08 Organische Farbstoffe für Solarzellen

Das Sonnenlicht einfangen

Indolin-Farbstoffe verbessern die Leistungsfähigkeit von Solarzellen

Abb. 1: Sensibilisatoren nach Mass: Für eine mit einem organischen Farbstoff sensibilisierte Solarzelle mit nichtflüchtigem Elektrolyten – einer binären ionischen Flüssigkeit – wird erstmals eine Energieumwandlungsausbeute von über 7.2% unter AM1.5-Sonnenlicht (100 mWcm-2)beschrieben. Gezeigt sind das Strom-Spannungs-Diagramm und das Photostromspektrum des Sensibilisators D205 sowie dessen höchstes besetztes Molekülorbital.
Quelle: Angewandte Chemie, Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduziert mit Bewilligung.

Die Solarzellentechnik ist im Vormarsch, hat allerdings immer noch mit zwei Problemen zu kämpfen: einem zu geringen Wirkungsgrad und zu hohen Herstellkosten. In Zusammenarbeit mit Satoshi Uchida von der Universität Tokio haben Michael Grätzel und seine Arbeitsgruppe an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne nun neue Sensibilisatoren entwickelt, die einem kostengünstigen Solarzellentyp zu einer höheren Effizienz verhelfen sollen.

Grätzel entwickelte bereits vor Jahren photoelektrochemische Solarzellen, die kostengünstig, einfach in der Herstellung und dabei langzeitbeständig gegenüber Licht und Hitze sind. Diese Grätzelzellen enthalten eine Titandioxid-Halbleiterschicht (TiO2) aus Millionen winzigster nanoskopischer Körnchen, die mit einem Farbstoff als Sensibilisator bedeckt sind. Lichtteilchen setzen Elektronen aus dem Farbstoff frei, die ins Leitungsband des TiO2 übertragen, im äussersten Bereich der Zelle gesammelt und über einen externen Kreislauf abgeleitet werden. Damit dies funktioniert, dürfen die losgeschlagenen Elektronen nicht wieder vom Farbstoff aufgenommen werden. Dazu enthält die Zelle eine Elektrolytlösung mit negativ geladenen Iodid-Ionen, die die Elektronenlücken im Farbstoff sofort wieder auffüllen. Der Nachteil: Das Lösungsmittel des Elektrolyten verdampft und verursacht Probleme. Eine Alternative sind ionische Flüssigkeiten, d. h. Salze, die bereits bei niedrigen Temperaturen als Schmelze vorliegen und nicht verdampfen. Allerdings sind diese so zähflüssig, dass der Transport der negativ geladenen Ionen langsam ist, die Elektronenlücken werden nicht schnell genug aufgefüllt, die Effizienz der Zelle sinkt.

Grätzel und sein Team wollen diesen Effizienzverlust ausgleichen, indem sie den Sensibilisator optimieren. Statt der üblichen Ruthenium-Farbstoffe setzen sie massgeschneiderte organische Farbstoffe ein, die auf Indolin basieren und eine höhere Lichtausbeute erzielen. Die TiO2-Filme dürfen dann dünner sein, so dass die innen liegenden Nano-Körnchen leichter von den Ionen erreicht werden. So erreichte das Team eine Energieumwandlungsausbeute von über 7,2 %. Für diesen Zellentyp (organischer Farbstoff, ionische Flüssigkeit, Titandioxid) ist das ein Rekord.

Dabei hängt die Leistungsfähigkeit des Farbstoffs als Sensibilisator nicht nur von seinem Chromophor, dem lichtabsorbierenden, farbgebenen Molekülteil, ab. Ein Farbstoff mit einer zusätzlichen Kohlenwasserstoffkette war der Spitzenreiter. Offenbar verbessert diese Kette den Aufbau einer dichten Farbstoffschicht auf den Titanoxidkörnchen, die die Eigenschaften von dessen Leitungsband günstig beeinflusst.

Quelle:

Organic Dye-Sensitized Ionic Liquid Based Solar Cells: Remarkable Enhancement in Performance through Molecular Design of Indoline Sensitizers
D. Kuang, S. Uchida, R. Humphry-Baker, S. M. Zakeeruddin, M. Grätzel, Angew. Chem. 2008, 120, 1949-1953. DOI: 10.1002/ange.200705225

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Organische Farbstoffe für Solarzellen
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2008feb/solarzellen.shtm)

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