Nachhaltige Solarzellen aus häufigen Metallen

Nach Fukushima wird die Notwendigkeit von Alternativen zur Kernenergie immer deutlicher. Viele Technologien werden gegenwärtig intensiv erforscht, wobei oft vernachlässigt wird, wie nachhaltig die verwendeten Materialien sind. Ein Prozess jedoch, der auf teuren und seltenen Rohstoffen basiert, wird sich in der Massenproduktion kaum durchsetzen. Chemiker der Universität Basel beschreiben nun in der angesehenen Fachzeitschrift «Chemical Communications» einen wegweisenden Ansatz zum Bau günstiger und nachhaltiger Farbstoff-Solarzellen auf der Basis von Zink – eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste.

Vergleichende Prüfung von Farbstoffsolarzellen mit Ruthenium- und Zinkverbindungen.

Farbstoffsolarzellen im Test unter einer künstlichen Sonne. (Fotos: Universität Basel/Edwin Constable)Farbstoff-Solarzellen oder DSC (Dye-sensitized Solar Cells) bestehen aus dem Halbleiter Titandioxid, auf dem ein Farbstoff verankert ist. Dieser Farbstoff absorbiert Sonnenlicht und überträgt Elektronen an den Halbleiter, wodurch ein Stromfluss entsteht. Den Forschern Nik Hostettler und Ewald Schönhofer aus der Gruppe der Professoren Edwin Constable und Catherine Housecroft an der Universität Basel sind nun zwei Durchbrüche gelungen: Erstens haben sie eine neue Strategie zur Herstellung und Verankerung von Farbstoffen an der Oberfläche von Titandioxid-Nanopartikeln entwickelt und zweitens konnten sie erstmals zeigen, dass dazu einfache Verbindungen des reichlich verfügbaren Metalls Zink verwendet werden können. Laut der Projektleiterin Dr. Biljana Bozic war entscheidend, ein Verfahren für die gleichzeitige Synthese des Farbstoffs und dessen Verankerung auf der Halbleiteroberfläche zu entwickeln.

Bunte Farbstoffe aus grauem Zink
Die Entdeckung, dass Zinkfarbstoffe zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden können, war äusserst unerwartet. Laut Prof. Edwin Constable wird Zink von den meisten Chemikern als eher «langweiliges» Element angesehen, da die meisten seiner Verbindungen farblos sind. Bei Forschungsarbeiten im Hinblick auf neuartige Beleuchtungssysteme hatten er und sein Team organische Verbindungen entdeckt, die an Zink gebundenneuartige, intensiv-farbige Materialien bilden. Obwohl die mit farbigen Zinkverbindungen bestückten Solarzellen noch nicht besonders effizient arbeiten, öffnet diese Beobachtung den Weg für eine neue Generation von Solarzellen, die mit bisher unberücksichtigten Farbstoffen arbeiten.

Herkömmliche Farbstoff-Solarzellen verwenden Farbstoffe auf der Basis von Ruthenium. Ruthenium ist ein sehr seltenes Metall und mit rund 3'500 Franken (2990 €) pro Kilogramm entsprechend teuer. Kürzlich demonstrierte das Basler Forscherteam die Leistungsfähigkeit von Farbstoffen aus dem reichlich vorkommenden und relativ günstigen Kupfer (7,5 Fr./6,3 € pro Kilogramm). Durch die Verwendung von billigem Zink (1,8 Fr./1,5 € pro Kilogramm) erhöht sich die Nachhaltigkeit der Technologie zusätzlich. «Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung unseres Traums, Photovoltaik und Beleuchtung in intelligenten Vorhängen zu verbinden, die tagsüber Sonnenenergie speichern und nachts als Beleuchtungselemente dienen», so Ed Constable. «Dieses Vorhaben steht im Zentrum unseres Forschungsprogramms ‹Light-In, Light-Out›, das vom Europäischen Forschungsrat ERC finanziert wird.»

Originalbeitrag
Biljana Bozic-Weber, Edwin C. Constable, Nik Hostettler, Catherine E. Housecroft, Ralf Schmitt and Ewald Schönhofer
The d10 route to Q1 dye-sensitized solar cells: step-wise assembly of zinc(II) photosensitizers on TiO2 surfaces
Chemical Communications (2012) | doi: 10.1039/c2cc31729j