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Nachhaltige Solarzellen aus häufigen Metallen

(21.6.2012) 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 Ansatz zum Bau günstiger und nachhaltiger Farbstoff-Solarzellen auf der Basis von Zink - einem der häufigsten Ele­mente in der Erdkruste.

Farbstoffsolarzellen mit Ruthenium- und Zinkverbindungen
Vergleichende Prüfung von Farbstoffsolarzellen mit Ruthenium- und Zinkverbindungen. Foto: Universität Basel/Edwin Constable (Bild vergrößern)

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 offenbar 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 wohl 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 gebunden neuartige, intensivfarbige 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 (2.990 €) 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

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