Überraschende Idee: Wie Salze die Leistung von Solarzellen verbessern
Farbstoffsolarzellen haben derzeit kommerziell noch wenig Bedeutung, verglichen mit anderen Zelltypen. Das könnte sich ändern, denn Forschende konnten eine Schwachstelle beheben.
Farbstoffsolarzellen arbeiten nach dem Vorbild der Photosynthese. Jetzt ist es gelungen, diese Zellen zu optimieren.
Foto: panthermedia.net/Pakhnyushchyy
Solarzellen entwickeln sich in vielen Ländern der Welt schnell zu einer der wichtigsten Methoden zur Erzeugung von sauberem, nachhaltigem Strom. Auch Deutschland setzt darauf – nicht nur als Strategie gegen den Klimawandel, sondern auch, um unabhängiger von Russlands Erdgas zu werden.
Ingenieurinnen und Ingenieure untersuchen etliche Zelltypen mit dem Ziel, den Wirkungsgrad zu optimieren. Allerdings steht die Technologie derzeit vor mehreren Herausforderungen, die ihre flächendeckende Anwendung einschränken. Bei Farbstoffsolarzellen verbessern niedrig schmelzende Salzmischungen elektrochemische Vorgänge, indem sich weniger Ablagerungen von Pigmenten bilden.
Solarzellen nach dem Vorbild der Natur
Zum Hintergrund: Im Fall der Farbstoffsolarzellen (dye-sensitized solar cells, DSSC), einer vielversprechenden Photovoltaiktechnologie, ist eines der Hauptprobleme die Farbstoffaggregation. Bei solchen Zellen handelt es sich um elektrochemische Systeme, welche die Photosynthese in Pflanzen nachahmen. Sie verwenden spezielle lichtempfindliche Farbstoffe, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Pflanzen nutzen Chlorophylle und Carotionoide. Sie absorbieren energiereiche Strahlung und wandeln sie in chemische Energie, Zucker und Stärke, um.
Das Prinzip nutzen Ingenieurinnen und Ingenieure auch bei Farbstoffsolarzellen. Im Idealfall sollte der Farbstoff gleichmäßig auf der Oberfläche einer Oxidelektrode hinter einer transparenten Schicht aufgebracht werden, damit die Energie des absorbierten Sonnenlichts leicht auf die Elektronen des Farbstoffs übertragen werden kann. Durch diesen Prozess werden freie Elektronen erzeugt, die einen externen Stromkreis mit Energie versorgen. Die meisten Farbstoffe neigen jedoch dazu, sich auf der Elektrodenoberfläche so zusammenzuballen, dass der gewünschte Fluss von Licht und elektrischen Ladungen behindert wird. Dies beeinträchtigt die Leistung von Farbstoffsolarzellen, was sich als schwer zu überwinden erwiesen hat.
Glücklicherweise hat ein Team unter der Leitung von Tomohiko Inomata, Professor am Nagoya Institute of Technology, Japan, gerade eine Lösung für dieses Problem gefunden. In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie zeigten die Forschenden, dass bestimmte ionische Flüssigkeiten die Farbstoffaggregation in beeindruckendem Maße unterdrücken können. Zu den ionischen Flüssigkeiten zählen geschmolzene Salze, die bei relativ niedrigen Temperaturen flüssig sind. In der Flüssigkeit selbst befinden sich – wie zu erwarten – Kationen und Anionen als Ladungsträger.
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Komplexe Mechanismen in ionischen Flüssigkeiten verbessern Solarzellen
Aber wie schaffen ionische Flüssigkeiten das Kunststück, unerwünschte Agglomerationen zu unterbinden? Um den genauen Mechanismus zu ergründen, konzentrierten sich die Forscherinnen und Forscher auf zwei ionische Flüssigkeiten mit sehr unterschiedlichen Molekülgrößen und zwei Arten von Farbstoffen. Beide ionischen Flüssigkeiten wiesen eine ähnliche Molekularstruktur auf: einen „Anker“, der sich gut an die Elektrode bindet (Titandioxid, TiO2), eine Hauptpolymerkette, die diesen „Anker“ mit einem Phosphoratom verbindet, und drei zusätzliche kurze Polymerketten, die vom Phosphoratom und von der Hauptkette abstehen.
Die Forscher tauchten die TiO2-Elektroden in Lösungen mit unterschiedlichen Verhältnissen von Farbstoff zu ionischer Flüssigkeit und analysierten, wie die verschiedenen Moleküle an ihnen haften. Nachdem sie das Syntheseverfahren optimiert hatten, stellten sie fest, dass Farbstoffsolarzellen, die mit der ionischen Flüssigkeit mit einer längeren Molekülstruktur hergestellt wurden, eine bemerkenswert bessere Leistung aufwiesen als ihre Gegenstücke mit nicht modifizierten Oxidelektroden.
„Die räumlich sperrige Molekularstruktur der ionischen Flüssigkeiten fungiert als wirksames Anti-Aggregationsmittel, ohne die Menge des in der Elektrode gebundenen Farbstoffs wesentlich zu beeinträchtigen“, erklärt Inomata. „Am wichtigsten ist, dass die Einführung der größeren ionischen Flüssigkeit alle photovoltaischen Parameter der Farbstoffsolarzellen verbessert.“
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Farbstoffsolarzellen für Praxisanwendungen optimieren
Wie geht es weiter? Obwohl ionische Flüssigkeiten in der Regel teuer sind, ist die Art und Weise, wie das Team sie einsetzt, in der Tat kosteneffizient. „Vereinfacht ausgedrückt besteht die Idee darin, ionische Flüssigkeiten nur auf den benötigten Teil des Geräts aufzutragen – in diesem Fall auf die Oberfläche der Elektrode“, erklärt Inomata.
Sein Team ist der Ansicht, dass der breite Einsatz von Elektroden, die mit ionischen Flüssigkeiten modifiziert wurden, den Weg für hochfunktionelle und dennoch erschwingliche Materialien für Solarzellen und katalytische Systeme ebnen könnte. Da die Struktur der ionischen Flüssigkeiten während ihrer Synthese eingestellt werden kann, bieten sie eine dringend benötigte Vielseitigkeit als Anti-Aggregationsmittel. Weitere Untersuchungen sind geplant. Die Forschenden hoffen jedenfalls, dass ihre Erkenntnisse zu besseren Solarzellen und langfristig zu neuen Möglichkeiten der Gewinnung regenerativer Energien führen.
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