Farbstoffsolarzelle: Aufbau, Wirkungsgrad & Entwicklung

Farbstoffsolarzellen werden nach ihrem Erfinder Michael Grätzel auch als Grätzelzellen bezeichnet. Sie sind in ihrer Herstellung preiswerter als konventionelle monokristalline oder polykristalline Solarzellen. Dafür besitzen sie jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad und eine geringere Lebensdauer. Allerdings lässt sich der Grad der Energieausbeute durch den Einsatz synthetischer Farbstoffe auf über zehn Prozent steigern.

farbstoffsolarzelle in der ansicht

Aufbau und Funktionsweise einer Farbstoffsolarzelle

Eine Farbstoffsolarzelle vom Typ einer Gräzelzelle besteht aus zwei Elektroden, die in einem Abstand von nur wenigen Mikrometern angebracht sind. Die eine Elektrode besitzt eine doppelte Beschichtung: Über einer dünnen Schicht aus Titandioxid liegt eine weitere dünne Schicht. Diese besteht aus Farbstoffmolekülen.

Die Funktionsweise basiert auf dem Einfangen des Sonnenlichts durch Farbstoffmoleküle. Diese Lichtabsorption bewirkt eine Lösung der einzelne Elektronen von den Farbstoffmolekülen. Das Titandioxid nimmt die freien Elektronen auf und die positiven Ionen wandern zur anderen Elektrode. Auf diese Weise entsteht eine elektrische Spannung, welche über einen externen Stromkreis elektrische Geräte antreiben kann.

Weiterentwicklungen

Der Aufbau einer Solarzelle in der herkömmlichen Variante unterscheidet sich von jenen mit Farbstoff. Mittlerweile gibt es Farbstoffsolarzellen in unterschiedlichen Varianten, die beträchtliche Unterschiede aufweisen. So wurden in der ursprünglichen Variante von Grätzel die Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten geleitet, während heute auch feste Lochleiter zum Einsatz kommen. Außerdem nutzte Grätzel noch natürliche pflanzliche Farbstoffe, während heutige Ausführungen inzwischen synthetische Farbstoffe beinhalten.

Obwohl Michael Grätzel die von ihm entwickelte Farbstoffsolarzelle bereits 1992 patentieren ließ, werden die genauen Vorgänge in einer Grätzelzelle bis heute nicht im Detail verstanden. Trotzdem konnte die Forschung in der Zwischenzeit weiter voranschreiten, sodass inzwischen Modelle mit deutlich höheren Wirkungsgraden in der Entwicklung sind.

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Vorteile gegenüber konventionellen Solarzellen

Eine Farbstoffsolarzelle kann prinzipiell zu deutlich niedrigen Kosten und mit einer geringeren Umweltbelastung, als eine gewöhnliche kristalline Solarzelle hergestellt werden. Zudem lassen sie sich wesentlich flexibler in Gebäude integrieren. So können sie diffuses Licht ebenso gut nutzen wie direkte Sonneneinstrahlung. Darüber hinaus lassen sich Farbstoffsolarzellen in beliebigen Farben und Formen produzieren und somit praktisch an jede Architektur anpassen.

Wo liegen die Nachteile?

Wie bei organischen Solarzellen ist der noch geringe Wirkungsgrad und die niedrige Lebensdauer nachteilig. Zwar konnten im Labor bereits Zellen mit einem zertifizierten Wirkungsgrad von bis zu 12,3 Prozent hergestellt werden. Doch die übliche Wert für eine kommerzielle Farbstoffsolarzelle liegt bei lediglich 2 bis 3 Prozent. Allerdings besteht hier ein hohes Potenzial zu künftigen Fortentwicklungen. So hält ihr Erfinder es für möglich, dass sich der Wirkungsgrad einer Farbstoffsolarzelle auf bis zu 31 Prozent erhöhen lässt.

Farbstoffsolarzelle kaufen oder selbst bauen

2009 präsentierte die in Cardiff ansässige walisische Firma G24 Innovations auf der Hong Kong Electronics Fair erstmalig eine Farbstoffsolarzelle, die auch zum Kauf bereit steht. Diese soll laut dem Farbstoffsolarzellen Hersteller einen Wirkungsgrad von 12 Prozent erreichen. Der erste größere kommerzielle Einsatz von Farbstoffsolarzellen erfolgte allerdings erst 2016 in Graz. Dort wurden Farbstoffsolarzellen mit einer Fläche von 2.000 Quadratmetern zur Fassadengestaltung eines 60 Meter hohen Bürogebäudes eingesetzt.

Wer eine Farbstoffsolarzelle selber bauen möchte, der findet entsprechende Anleitungen auf den Internetseiten vieler Universitäten, die selbst auf diesem Gebiet forschen.