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
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