Mehr Leistung für Solarzellen durch Komplexe
Hocheffiziente p-Typ-Farbstoffsolarzelle mit Kobalt-Elektrolyten.
Die Photovoltaik ist noch immer eine sehr teure Technologie. Eine deutlich kostengünstigere Variante zu den traditionellen Solarzellen könnten Farbstoffsolarzellen sein. Dabei fängt ein Farbstoff statt eines Halbleitermaterials das Licht ein. Besonders vielversprechend scheinen Tandem-Zellen aus einer konventionellen n-Typ- und einer „inversen“ p-Typ-Farbstoffsolarzelle. Ein australisch-deutsches Team berichtet jetzt über eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrades bei p-Typ-Farbstoffsolarzellen durch Verwendung eines Elektrolyten auf Basis eines Kobaltkomplexes.
Abb.: Co-Produktion: p-Typ-Farbstoff-Solarzellen (p-DSCs) mit Elektrolyten auf [Co(en)3]2+/3+-Basis ergeben einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung von 1,3 % und Leerlaufspannungen bis 709 Millivolt bei der Bestrahlung mit simuliertem Sonnenlicht. Die erhöhte Photospannung folgt aus dem höheren negativen Redoxpotential von [Co(en)3]2+/3+ im Vergleich zu üblichen Vermittlern. (Bild: Angew. Chem.)
Konventionelle n-Typ-Farbstoffsolarzellen arbeiten mit einer Photoanode, einer positiven Elektrode, die mit einem n-Halbleiter, z.B. Titandioxid, und einem Farbstoff beschichtet ist. Trifft Licht darauf, werden die Farbstoffmoleküle angeregt und setzen Elektronen, also negative Ladungen, frei und „injizieren“ sie in den n-Halbleiter. Ein Redoxmediator, der als Bestandteil des Elektrolyten zwischen den Elektroden frei beweglich ist, regeneriert den Farbstoff, d.h. er versorgt ihn wieder mit Elektronen, die von der Gegenelektrode stammen. Beim p-Typ läuft der Prozess genau entgegengesetzt: Ein spezieller Farbstoff und ein p-Halbleiter befinden sich auf einer Photokathode. Der durch Licht angeregte Farbstoff „saugt“ Elektronen aus dem Valenzband des p-Halbleiters, z.B. Nickeloxid, heraus. Es wird also quasi ein „Elektronenloch“, eine positive Ladung (daher „p-Typ“), vom Farbstoff übertragen. Der Redoxmediator nimmt dem Farbstoff die Elektronen wieder ab und gibt sie an die Gegenanode weiter.
Eine vielversprechender Ansatz, um die Leistung von photovoltaischen Zellen zu steigern, ist die Kombination einer n- und einer p-Typ-Farbstoffsolarzelle zu einer Tandem-Zelle. Trotz einiger Fortschritte hinken die p-Typen in ihren Leistungsdaten aber immer noch deutlich hinter ihren n-Gegenstücken her. Einem internationalen Team aus Wissenschaftlern von der Monash University und der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (Australien) sowie der Universität Ulm ist nun eine weitere deutliche Verbesserung der Effizienz von p-Typ-Zellen geglückt, indem sie einen anderen Redoxmediator wählten.
Das üblicherweise eingesetzte System aus Iodid und Tri-Iodid ersetzten die Forscher um Udo Bach und Leone Spiccia durch einen bekannten Kobalt-Komplex, Tris(ethylenediamin)cobalt (II)/(III), bei dem das Kobalt zwischen den Oxidationsstufe +2 und +3 wechseln kann. Der Vorteil dieses Systems: Sein Redoxpotential liegt wesentlich niedriger. Aus diesem Grund ist die Leerlaufspannung, ein entscheidender Kennwert für Solarzellen, doppelt so hoch. Gleichzeitig ist die treibende Kraft hoch genug, um eine rasche und effiziente Regenerierung des verwendeten Farbstoffs zu gewährleisten. Zellen auf dieser Basis erreichen eine Energieumwandlungseffizienz von 1,3 %, während die bisherigen Systeme maximal 0,41% erreichten. Auch bei diffusem Sonnenlicht bedeckter Tage zeigt die p-Typ-Farbstoffsolarzelle mit dem Kobalt-basierten Redoxmediator vielversprechende Leistungsdaten.
U. Bach/Angew. Chem. / PH
