Institut Dr. Flad
Berufskolleg für Chemie, Pharmazie, Biotechnologie und Umwelt

Solarzellen nach Pflanzenart
Prof. Grätzel, Lausanne, stellt bei den Stuttgarter Chemietagen seine Erfindung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle vor

"Es ist erstaunlich, wie weit man als Chemiker kommen kann, wenn man kreativ und rationell denkt."
Mit diesem Satz stellte Prof. Dr. Michael Grätzel aus Lausanne bei den 15. Stuttgarter Chemietagen seine bahnbrechende Neuentwicklung auf dem Gebiet der Solarzellen vor. In einem faszinierenden Vortrag erläuterte er die Funktionsweise der nach ihm benannten "Grätzel-Zelle" und zeigte auch die Möglichkeiten der wirtschaftlichen Verwertung.

Professor Grätzel ist ordentlicher Professor an der ETH in Lausanne. Er leitet dort das Laboratorium für Photonik und Grenzflächen. Er ist ein Pionier der Forschung im Bereich Energie und Elektronentransfer-Reaktionen in mesoskopischen Materialien und deren Anwendungen in Solarenergie-Umwandlungssystemen, in optoelektronischen Bauelementen und Lithium-Ionen-Batterien.
Schulleiter Wolfgang Flad erwähnte in seiner Begrüßung die beeindruckenden wissenschaftlichen Leistungen des Referenten. Er ist Autor von über 900 Publikationen, welche über 78 000 mal zitiert wurden. Er gehört damit - so Wolfgang Flad - weltweit zu den Spitzenforschern in der Chemie. Seine Leistung spiegelt sich auch in zahlreichen Preisen, die er für seine Arbeit erhalten hat, darunter so renommierte Preise wie den Balzan-Preis, die Galvani-Medaille, die Faraday-Medaille, den Gerischer-Award und 2010 den mit 800 000 Euro dotierten Millenium-Technologiepreis für die Entwicklung der farbstoffsensibilisierten Solarzelle. Die Zeitschrift "Scientific American" zählt ihn zu den 50 Top-Forschern der Welt. Er hält über 50 Patente und hat bisher 8 Ehrendoktortitel und 3 Ehrenprofessuren.

Die Funktionsweise der Grätzel-Zelle beruht auf einem neuartigen Verfahren, das im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren zur Absorption von Licht kein Halbleitermaterial, sondern organische Farbstoffe verwendet.
Der Aufbau der Grätzel-Zelle ist an sich so einfach wie genial. Sie besteht aus 2 flachen planaren Glaselektroden, die im Durchschnitt 0,02-0,04 mm auseinander liegen. Sie sind auf der Innenseite mit einer elektrisch leitfähigen, aber transparenten, Substanz, beispielsweise mit fluor-dotiertem Zinnoxid, beschichtet. Auf der Kathode, der so genannten Arbeitselektrode, befindet sich eine Schicht aus Titandioxid-Nanoteilchen, deren Oberfläche eine Lage aus organischem, lichtempfindlichen Farbstoff trägt. Besonderes geeignet sind hier Blattfarbstoffe aus der Gruppe der Anthocyane, z.B. Brombeer- oder Hibiskusteeextrakte. Die Innenseite der Anode trägt eine katalytische Schicht, meist besteht sie aus Platin oder Graphit. Der Raum zwischen den beiden Elektroden ist mit einer elektronenleitenden Flüssigkeit (Redoxelektrolyt) gefüllt, etwa mit einer Jod-Kaliumiodid-Lösung. Bei Lichteinfall wird der Farbstoff chemisch angeregt und injiziert Elektronen in das Halbleitermaterial, das fluor-dotierte Zinnoxid. Von dort gehen sie weiter zur Kathode und über einen äußeren Stromkreis zur Anode.
Der Farbstoff wird durch das Jodid wieder reduziert, das dadurch zu Jod oxidiert. Das entstandene Jod wird an der Anode mit dem Elektron wieder zu Jodid reduziert. Es bildet sich somit sowohl ein innerer Stromkreislauf über den Elektrolyten als auch ein äußerer Stromkreis über den fließenden Elektronen. Bei dem Vorgang handelt so sich zusagen um eine technische Photosynthese.
Die Vorteile der Zelle liegen in den niedrigen Herstellungskosten und in der geringen Umweltbelastung bei der Herstellung. Die Zelle kann auch diffuses Licht gut nutzen. Der Wirkungsgrad im Labor erreicht 11,2 % auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter.

Professor Grätzel ging in seinem Vortrag auf die bekannten Probleme der zukünftigen Energieversorgung ein. Eine Möglichkeit, die zu Ende gehenden fossilen Brennstoffe zu ersetzen, ist die Nutzung der Solarenergie durch Photovoltaik. Eine notwendige Bedingung dafür ist allerdings, dass diese Nutzung zu einem wettbewerbsfähigen Preis und unter ökonomischen Bedingungen erfolgen kann. Die herkömmliche Technik mit Silizium-basierten Solarzellen stößt an Grenzen. Bisher werden durch Photovoltaik bei einem weltweiten Bedarf von 14 Terrawatt bei optimalen Bedingungen, d.h. in der Wüste, 15 Gigawatt als Spitzenleistung erzeugt. Der Durchschnittswert beträgt nur 4 Gigawatt. Damit deckt die Photovoltaik nur 0,04 % des Energiebedarfs. Die Prognosen gehen von einem weltweiten Energiebedarf von 28 Terrawatt in 40 Jahren aus. Berücksichtigt man diese Ansprüche an das Wachstum, so ist die Energiebilanz der Silizium-basierten Photovoltaik sogar negativ. Man benötigt sehr viel Energie, um Silizium aus Sand herzustellen, weil Sand ein sehr stabiles Material ist. Es dauert im Schnitt 4-5 Jahre, bis allein diese Umwandlungsenergie mit Hilfe von Solarzellen zurück gewonnen werden kann.

Ein weiteres Problem ergibt sich bei der herkömmlichen Technik. Bei der Silizium-Halbleiter-Zelle übernimmt das Siliziummaterial die Absorption des Lichts, gibt aber auch die negativen und positiven Ladungsträger weiter. Man braucht ein elektrisches Feld, um diese Ladungen zu trennen. Das Silizium erfüllt also mindestens drei Aufgaben gleichzeitig, was nur bei sehr reinem Ausgangsmaterial funktioniert, das in der Herstellung sehr teuer ist.
Die Grätzel-Zelle dagegen verwendet ein spezielles Molekül zur Lichtabsorption, wie z.B. das Chlorophyll. Dieses wird aber nur zur Absorption von Licht und Generierung von Ladung verwendet. Es muss also nicht auch noch Ladungen transportieren. Durch den Einsatz der Grätzel-Zelle wird das Wachstum des Solaranteils zu vernünftigen Bedingungen möglich, weil man z.B. das benötigte Titanoxid nicht erst aufwendig produzieren muss. Es existiert bereits.

Die Entwicklung der Farbstoff-Solarzelle ist soweit fortgeschritten, dass die industrielle Fertigung in großem Maßstab anlaufen kann. Ihre Energieausbeute durch Moleküle ist fast so groß wie die bei der Solarzelle mit Halbleitern. Der Unterschied wird noch geringer, wenn berücksichtigt wird, dass Farbstoffsolarzellen Strom auch aus diffusem Licht erzeugen. Auch durch die Auswahl des Farbstoffs lässt sich bestimmen, welches Licht am besten absorbiert wird. Dies kann die Effizienz deutlich erhöhen. Auch die Stabilität ist hervorragend. Die Farbstoff-Solarzellen haben bei Langzeitversuchen unter extremen Bedingungen nur einen Effizienzverlust von 5 %.
Die industrielle Produktion von flexiblen Zellen ist bereits angelaufen, die Produktion von Glaszellen ist noch im Versuchsstadium. Flexible Zellen werden etwa an Rucksäcken oder Sporttaschen angebracht und können so dazu dienen, Handys oder Akkus unterwegs aufzuladen. Auch die Tastaturen von Computern können mit diesen flexiblen Zellen beschichtet werden und machen so den Computer autark.
Grätzel-Zellen können als einzige Solarzellen zum Beispiel für Glasfassaden vollständig transparent gemacht werden. So würden Strom erzeugende Fenster möglich.

Farbstoff-Solarzellen sind leicht herzustellen, haben deshalb niedrige Produktionskosten, sind transparent, können verschiedenfarbig sein, sind leicht und flexibel, können Licht von allen Seiten absorbieren und haben eine positive Energiebilanz. Ihr deutlicher Preisvorteil gegenüber der siliziumbasierten Solarzelle könnte zum wirtschaftlichen Durchbruch führen.

So führt im "Streit der Fakultäten", um den Titel eines Aufsatzes von Immanuel Kant zu zitieren, die Problemlösungskompetenz der Chemie zum Vorteil der chemischen Lösung bei der Nutzung der Solarenergie, weil ihre Vorteile gegenüber der physikalischen Siliziumlösung deutlich sind.

S. Kümmerle