Grätzelzelle

Die nach ihrem Erfinder Michael Grätzel auch als Grätzelzellen bezeichneten Farbstoffsolarzellen unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise deutlich von anderen Solarzellen. Sie sind sehr preiswert herzustellen, weisen aber einen nur sehr niedrigen Wirkungsgrad auf. Durch den Einsatz synthetischer Farbstoffe kann der Wirkungsgrad jedoch auf mehr als zehn Prozent gesteigert werden.

Aufbau und Funktionsprinzip einer Grätzelzelle

Funktionsweise einer Grätzelzelle

Funktionsweise einer Grätzelzelle

Eine Grätzelzelle besteht aus zwei Elektroden, die einen Abstand von nur wenigen Mikrometern aufweisen. Eine der Elektroden weist eine doppelte Beschichtung auf. Unmittelbar auf der Elektrode ist eine dünne Schicht aus Titandioxid aufgetragen, auf dieser eine weitere dünne Schicht aus Farbstoffmolekülen. Die Farbstoffmoleküle übernehmen dabei die Aufgabe, das Sonnenlicht einzufangen. Durch Absorption von Licht werden Elektronen von den Farbstoffmolekülen gelöst. Das Titandioxid nimmt die dabei frei werdenden Elektronen auf, während die positiven Ionen zur anderen Elektrode wandern. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung, die über einen äußeren Stromkreis genutzt werden kann, um elektrische Geräte zu betreiben. Im Detail weisen unterschiedliche Varianten der Farbstoffsolarzelle erhebliche Unterschiede auf. In der ursprünglich von Grätzel patentierten Variante werden die Ionen durch einen flüssigen Elektrolyten transportiert, mittlerweile kommen auch feste Lochleiter zum Einsatz. Ebenfalls geändert haben sich die eingesetzten Farbstoffe. Grätzel nutze natürliche pflanzliche Farbstoffe, während heute synthetische Farbstoffe eingesetzt werden. Bis ins Detail sind die Vorgänge in einer Grätzelzelle noch immer nicht verstanden. Erst kürzlich wurde beispielsweise festgestellt, dass der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden kann, wenn der synthetische Farbstoff in einer regelmäßigen Gitterstruktur kristallisiert. Dazu wurde in einem ersten Schritt nur so wenig Farbstoff auf das Titandioxid aufgetragen, dass die mikroskopischen Vertiefungen in dessen Oberfläche damit ausgefüllt wurden. Anschließend wurde der Rest des Farbstoffs auf die nun deutlich glattere Oberfläche aufgetragen. Mit diesem recht einfach anmutenden Trick konnte ein Rekordwirkungsgrad von 15 Prozent erreicht werden, wozu allerdings auch andere Verbesserungen beitrugen.

Vor- und Nachteile gegenüber herkömmlichen Solarzellen

Wesentliche Vorteile der Farbstoffsolarzellen sind die geringen Kosten und der geringe Energieverbrauch der Herstellung. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass Grätzelzellen erheblich flexibler in Gebäude integriert werden können. Das liegt zunächst daran, dass sie indirektes Licht ebenso gut nutzen können wie direkte Sonneneinstrahlung. Hinzu kommt, dass Farbstoffsolarzellen in beliebigen Formen und Farben hergestellt werden können und sich so jeder Architektur anpassen. Negativ sind der geringe Wirkungsgrad und die geringe Lebensdauer anzumerken. Beide Probleme können durch den Einsatz synthetischer Farbstoffe zumindest teilweise gelöst werden, wodurch allerdings die Kosten und der Energieverbrauch der Herstellung steigen. Es scheint durchaus denkbar, dass Grätzelzellen zukünftig sogar höhere Wirkungsgrade erreichen als monokristalline Solarzellen.

Die Erprobung in der Praxis steht aus

Theoretisch steht mit der Grätzelzelle eine Alternative zu herkömmlichen Solarzellen zur Verfügung, die sowohl ökonomisch als auch ökologisch eine gute Bilanz vorweisen kann. Allerdings fehlt es noch an Erfahrungen im alltäglichen Praxiseinsatz. Kristalline Module sind heute eine ausgereifte Technik, die man in der Erwartung auf dem Dach montieren kann, dass sie mindestens 20 Jahre lang arbeiten, ohne größere Problem zu verursachen. Davon sind Grätzelzellen noch weit entfernt.