Farbstoffsolarzellen werden nach ihrem Erfinder Michael Grätzel auch als Grätzelzellen bezeichnet. Ihre Herstellung ist günstiger als die konventioneller monokristalliner oder polykristalliner Solarzellen. Dafür haben sie einen niedrigeren Wirkungsgrad und eine geringere Lebensdauer. Durch den Einsatz synthetischer Farbstoffe lässt sich die Energieausbeute jedoch steigern.

Aufbau und Funktionsweise

Eine Farbstoffsolarzelle besteht aus zwei Elektroden, die nur wenige Mikrometer voneinander entfernt sind. Eine der Elektroden ist doppelt beschichtet: Über einer dünnen Schicht aus Titandioxid liegt eine Schicht aus Farbstoffmolekülen. Die Funktionsweise beruht darauf, dass die Farbstoffmoleküle das Sonnenlicht einfangen. Durch die Lichtabsorption lösen sich einzelne Elektronen von den Molekülen. Das Titandioxid nimmt die freien Elektronen auf, während die positiven Ladungsträger zur anderen Elektrode wandern. So entsteht eine elektrische Spannung, die über einen äußeren Stromkreis Geräte antreiben kann.

Weiterentwicklungen

Der Aufbau einer klassischen Solarzelle unterscheidet sich deutlich von dem der Farbstoffvariante. Inzwischen gibt es Farbstoffsolarzellen in verschiedenen Ausführungen. In der ursprünglichen Variante wurden die Ladungen durch einen flüssigen Elektrolyten geleitet, während heute auch feste Ladungsträger zum Einsatz kommen. Zudem nutzte Grätzel anfangs natürliche pflanzliche Farbstoffe, während moderne Zellen synthetische Farbstoffe verwenden, die stabiler sind und eine höhere Ausbeute ermöglichen. Obwohl Grätzel die Zelle bereits 1992 patentieren ließ, sind einige Vorgänge im Inneren bis heute nicht vollständig verstanden. Dennoch ist die Forschung weit vorangekommen, und es befinden sich Modelle mit höheren Wirkungsgraden in der Entwicklung.

Vorteile gegenüber konventionellen Solarzellen

Eine Farbstoffsolarzelle lässt sich grundsätzlich zu niedrigeren Kosten und mit geringerer Umweltbelastung herstellen als eine kristalline Siliziumzelle. Zudem ist sie flexibler in Gebäude integrierbar und nutzt diffuses Licht ebenso gut wie direkte Sonneneinstrahlung. Da sie sich in nahezu beliebigen Farben und Formen produzieren lässt, kann sie an unterschiedliche Architekturen angepasst werden, was neue gestalterische Möglichkeiten eröffnet, etwa bei der Fassadengestaltung.

Wo liegen die Nachteile?

Wie bei organischen Solarzellen sind der niedrige Wirkungsgrad und die geringe Lebensdauer die wesentlichen Nachteile. Im Labor wurden bereits Zellen mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von über 13 Prozent hergestellt, während kommerzielle Farbstoffsolarzellen bislang deutlich darunter liegen. Es besteht jedoch Potenzial für künftige Verbesserungen, und Fachleute halten weitere Steigerungen des Wirkungsgrads für möglich. Für den klassischen Einsatz auf dem Hausdach, bei dem hohe Erträge über viele Jahre gefragt sind, bleiben Siliziummodule daher vorerst überlegen.

Einsatz und Ausblick

Kommerzielle Farbstoffsolarzellen wurden bereits von einzelnen Herstellern angeboten, konnten sich am Markt aber bislang nicht breit durchsetzen. Ein bekanntes Beispiel für einen größeren Einsatz ist die Fassadengestaltung eines Bürogebäudes im österreichischen Graz, bei der Farbstoffsolarzellen auf großer Fläche verbaut wurden. Wer eine Farbstoffsolarzelle selbst bauen möchte, findet dazu Anleitungen von Universitäten, die auf diesem Gebiet forschen. Zusammengefasst ist die Farbstoffsolarzelle eine interessante Technik mit besonderen Stärken bei diffusem Licht und der gestalterischen Integration, während der geringe Wirkungsgrad und die begrenzte Lebensdauer sie für die klassische Stromerzeugung auf dem Dach vorerst zurückstellen. Die weitere Forschung entscheidet darüber, ob sie künftig eine größere Rolle spielen kann.

Interessant ist die Farbstoffsolarzelle vor allem für Anwendungen, bei denen nicht der maximale Wirkungsgrad, sondern die gestalterische Freiheit und die Nutzung von schwachem oder diffusem Licht im Vordergrund stehen. Denkbar sind etwa farbige, transparente Fassadenelemente, die zugleich Strom erzeugen, oder die Integration in Innenräume, wo klassische Module ungeeignet wären. Auch für kleine, stromsparende Geräte könnte die Technik interessant werden. Ob und wann Farbstoffsolarzellen in größerem Umfang zum Einsatz kommen, hängt vor allem davon ab, wie stark sich Wirkungsgrad und Lebensdauer weiter steigern lassen und ob eine kostengünstige Serienfertigung gelingt.

Zusammengefasst ist die Farbstoffsolarzelle eine faszinierende Technik, die sich durch günstige Herstellung, gestalterische Freiheit und die gute Nutzung von diffusem Licht auszeichnet. Ihre Schwächen liegen im noch geringen Wirkungsgrad und der begrenzten Lebensdauer, weshalb sie klassische Siliziummodule auf dem Dach vorerst nicht ersetzt. In gestalterisch anspruchsvollen Anwendungen wie farbigen Fassaden oder in Innenräumen kann sie jedoch schon heute punkten. Ob die Farbstoffsolarzelle künftig eine größere Rolle spielt, hängt vom Fortschritt der Forschung und von der Wirtschaftlichkeit der Serienfertigung ab.

Insgesamt ist die Farbstoffsolarzelle ein gutes Beispiel dafür, wie vielfältig die Forschung an neuen Solartechnologien ist. Neben den etablierten Siliziummodulen entstehen Ansätze, die andere Stärken bieten, etwa bei Gestaltung, Gewicht und Lichtnutzung. Für die klassische Stromerzeugung auf dem Dach bleibt die Siliziumtechnik führend, doch in speziellen Anwendungen könnten Farbstoffsolarzellen künftig eine sinnvolle Ergänzung darstellen.

Für interessierte Verbraucher ist die Technik derzeit vor allem als Ausblick auf künftige Entwicklungen spannend. Wer heute in Photovoltaik investieren möchte, ist mit bewährten Siliziummodulen gut beraten, kann die Fortschritte bei neuen Zelltypen wie der Farbstoffsolarzelle aber mit Interesse verfolgen.

Die Entwicklung solcher alternativen Solarzellen wird von Forschungseinrichtungen weltweit vorangetrieben, sodass in den kommenden Jahren durchaus mit weiteren Verbesserungen zu rechnen ist. Bis diese jedoch marktreif und wirtschaftlich sind, bleibt die klassische Photovoltaik die verlässlichste Wahl für die Stromerzeugung im Eigenheim.