Michael Grätzel

Während des Einstein-Jahres 2005 wurde oft vergessen, dass Einstein den Nobelpreis nicht für die Relativitätstheorie erhielt, sondern für eher konventionelle Physik, genau genommen den fotoelektrischen Effekt bei der Wechselwirkung von Licht und Materie. Die Grundlagen waren schon 60 Jahre zuvor bekannt, und zu Einsteins Zeiten hatte ein fotoelektrochemischer Prozess, die Fotografie, geradezu revolutionäre Ausmaße erreicht.
Seit den ersten Aufnahmen von Daguerre (1837) und der Normung des Silberhalogenid-Prozesses durch Fox Talbot (1839) ist die Fotografie zu einem Standardaufzeichnungsmedium geworden, so dass wir noch heute die Aufnahmen von Lincoln, Bismarck und der Königin Viktoria bewundern können.

In der Entwicklung der Photonentechnologie fällt die theoretische "Grundsteinlegung" Einsteins auf den, geschichtlich gesehen, halben Weg, zwischen den ersten experimentellen Beobachtungen und dem Beginn der industriellen Fertigung von Solarzellen im späten 20. Jahrhundert.
Betrachtet man den Ersatz der klassischen Fotografie durch die digitale auf Basis von Halbleitern oder die marktbeherrschende Position der Flüssigkristall-Bildschirme in der Unterhaltungselektronik, ist offensichtlich, dass sich diese Entwicklung gegenwärtig beschleunigt. Die Geschichte der Photonik ist also gekennzeichnet vom Konkurrenzkampf der elektrochemischen Systeme, wie der photogalavanischen Zelle von Becquerel oder der Halogenid-Emulsion von Fox Talbot, mit der späteren Halbleitertechnologie. Dies ist ein Wettkampf, der noch andauert und jetzt in eine neue Runde geht mit den farbstoffsensibilisierten, fotoelektrochemischen Solarzellen (DSC) und der bereits eingeführten Festkörperfotovoltaik auf Siliziumbasis.

Abbildung 1: Die Fotoanode einer DSC besteht aus halbleitenden Oxidpartikeln, die mit einer Monolage des Farbstoffs bedeckt sind. Die Nanoskaligkeit der Oxidpartikel erzeugt eine sehr große Phasengrenzfläche, die es dem adsorbierten Sensibilisator ermöglicht, das Licht effektiv zu nutzen.

Licht wird von einem Farbstoffmolekül absorbiert, das auf nanokristallinem Titandioxid fixiert ist. Titandioxid ist stabil und ökologisch unbedenklich. Der Sensibilisator überträgt ein Elektron auf das Leitungsband des Halbleiters. Das nun positiv geladene Farbstoffmolekül wird durch den Elektrolyten regeneriert, der durch den äußeren Stromkreis ein Elektron zurückerhält. Der Umwandlungswirkungsgrad der Vorrichtung liegt bei über 11%, und die Verwendung von lösungsmittelfreien Elektrolyten hat es ermöglicht, eine sehr stabile Leistung zu erreichen. Insbesondere die langzeitstabile Versiegelung des Elektrolyten, ein kritischer Punkt der früheren Entwicklung, konnte damit erfolgreich gemeistert werden.

Abbildung 2: Energieband-Diagramm der DSC skaliert für den Mediator jodid/trijodid und cis-Ru(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylat)(SCN)2 als Sensibilisator.

Abbildung 3: Die Leistung der Champion-DSC. oben: Die spektrale Abhängigkeit der Umwandlungseffizienz vom einfallenden Photon. unten: Fotostrom-Spannungskurve, gemessen unter simulierten vollen Sonnenlicht mit Luftmasse 1.5, die erreichte Umwandlungseffizienz beträgt 11.2%

Abbildung 4: Großflächiges Solardach (Quelle: STA/Dyesol,Australien).

Abbildung 3 zeigt die fotovoltaische Leistung einer solchen Champion-Zelle. Die Zelle wird aus zwei mit einer transparenten leitfähigen Oxidschicht beschichteten Glasplatten in einem Abstand von ca. 20-40 µm gebildet, welche die Elektroden tragen. Die nicht fotoaktive Gegenelektrode besteht aus einer wenige µm dicken katalytischen Schicht (zumeist Kohlenstoff oder eine winzige Menge Platin). Der Bereich zwischen den beiden Elektroden ist gefüllt mit einem Redoxelektrolyt, z.B. einer Lösung aus Imidazoliumtrijodid und Imidazoliumjodid.

Abbildung 5: Fotovoltaischer Baum mit "Solarblättern". (Quelle: Aisin Seiki, Japan)

Die Zelle kann im Vergleich zu den herkömmlichen Solarzellen diffuses Licht gut nutzen. Ihr Wirkungsgrad ist bis 65°C praktisch temperaturunabhängig im Unterschied zu Silizium, das etwa 20 Prozent zwischen 25°C und 60°C verliert. Das Potenzial der farbstoffsensibilisierten Solarzelle (DSC) als wettbewerbsfähige Quelle erneuerbarer Energie wird durch das kommerzielle Interesse mehrerer Industrieunternehmen bestätigt, die Lizenzen auf Basispatente genommen haben und sowohl an der Maßstabsvergrößerung als auch an Vorführinstallationen arbeiten. Da die DSC semitransparent ist, werden interessante Anwendungen bei der Integration in Gebäudefassaden und Oberlichtern erwartet.

Amerikanische und japanische Entwicklungsingenieure erforschen die spezielle Adaptierbarkeit des Sytems auf flexible, polymere Substrate, auf die der sensibilisierte Halbleiter als dünner Film aufgebracht wird. Außerdem ist man in Japan und in Australien dabei, großflächige Systeme zu erstellen und zu testen. Mit der fortschreitenden Expansion des Fotovoltaik-Marktes kann erwartet werden, daß die farbstoffsensibilisierte Solarzelle eine signifikante Rolle spielen wird. Im Wettbewerb mit konventionellen Systemen und anderen Innovationen, bei weiter steigenden Preisen für fossile Brennstoffe und auf Basis ökologischer Betrachtungen kann und wird die DSC zum wirtschaftlichen Erfolg und umfassenden Einsatz der Fotovoltaik beitragen.