Energie satt: Nano-Solarzellen

	Bild: ETH Lausanne

Ein Forscher aus  Lausanne arbeitet daran, mit neuartigen Solarzellen die Photosynthese zu imitieren. Gelingt das, dann hätte die Menschheit vielleicht ein Problem weniger!

Die größte, direkte Energiequelle unseres Planeten ist die Sonne. Die älteren Formen des irdischen Lebens, Bakterien und Pflanzen, haben sich daran perfekt angepasst: Die Fotosynthese erlaubt ihnen, das Sonnenlicht aufzufangen und selbständig in chemische Energie umzuwandeln.

Die Menschen lassen sich zwar gerne die Sonne auf den Bauch scheinen, aber außer einem wohligen Gefühl und einem gelegentlichen Sonnenbrand bringt ihnen die Sonnenenergie leider nichts. Sie nutzen sie bis heute fast ausschließlich indirekt, indem sie Tiere und Pflanzen essen oder ihre fossilen Reste in Form von Kohle, Erdöl oder Erdgas verfeuern.

Die Erfindung der Solarzelle auf Siliziumbasis im Jahre 1954 hat zwar die Hoffnung genährt, dass wir es eines Tages den Pflanzen gleichtun könnten. Aber ihre Produktion ist noch immer aufwändig. Verglichen mit ihrem natürlichen Vorbild, der Photosynthese, ist ihre elektrische Energieausbeute außerdem unzuverlässig und ineffizient.

Auch der Chemiker Michael Grätzel und seine Kollegen an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne träumten vor etwa 20 Jahren von der Verwirklichung der künstlichen Photosynthese. Grätzel arbeitete damals mit Titandioxid (TiO2), jenem Halbleiter, der in Form feiner Körnchen in Sonnencremes die UV-Strahlen auffängt. So fein, wie man es damals mahlen konnte, ergibt TiO2 eine milchige Lösung. Eben genau die Farbe, die wir vom Strand kennen, wenn wir uns mit Sonnen-„milch“ eincremen.

„Wir waren die erste Gruppe, die so kleine Titandioxid-Teilchen herstellen konnte, dass es eine durchsichtige Lösung ergab“, sagt Grätzel. Später lagerten sie an der Oberfläche dieser TiO2-Kolloide  Farbstoffmoleküle an und regten sie anschließend mit Laserlicht an. Sie wollten wissen, wie Elektronen aus den angeregten Farbstoffmolekülen in die Titandioxidpartikel übertragen wurden.

Ein Mitarbeiter Grätzels berichtete dann verwundert, dass die Elektronen viel langsamer als erwartet aus dem Gemisch heraustraten. „Da hat es schon ein bisschen geklickt“, sagt Grätzel. Denn offensichtlich hatte das Licht in dem Kolloid eine Ladungstrennung erzeugt – ein Effekt, der sich noch als bedeutsam herausstellen wird.

Grätzel arbeitete weiter an der künstlichen Fotosynthese. Er beauftragte eine wissenschaftliche Mitarbeiterin, einen Ruthenium-Farbstoff mit einer so genannten Ester-Gruppe (einer schwefelhaltigen Molekülgruppe) zu bauen und diese mit dem TiO2-Kolloid zu mischen. Und auch die Mitarbeiterin kam verwundert auf ihn zu: „Herr Professor, das gibt so einen roten Niederschlag.“

Da klickte es wieder ein bisschen. Grätzel bat nun seinen Doktoranden Hans Desilvestro, den Farbstoff auf ein Titanblech aufzutragen und den Stromfluss infolge der Ladungstrennung zu messen. „Da kamen ein paar Mikro-Ampere heraus. Klingt nicht besonders, aber das war viel verglichen mit dem, was andere Gruppen gemessen hatten“, schildert Grätzel seine erneute Überaschung. Als er es dann mit einem Kollegen auf einem raueren Titanblech probierte, bekamen sie schon einige Milli-Ampere – das Tausendfache also. Doch wie es oft ist in der Wissenschaft: „Das hat uns keiner geglaubt.“ Erst als er den Versuch mit dem rauen Titanblech live vorführte, wich die Skepsis. Das Konzept der „Grätzel-Zelle“ war geboren.

Die sieht in ihrer heutigen Form wie folgt aus: Auf der einen Seite der Zelle befindet sich eine gläserne Elektrode, durch die das Sonnenlicht ins Innere gelangt. Dort befindet sich ein dichtes Netz aus TiO2-Nanopartikeln, an deren Oberfläche Farbstoffmoleküle haften. Die Zwischenräume des Netzes sind mit einem Elektrolyten gefüllt.

Trifft ein Photon – also ein Lichtteilchen – auf ein Farbstoffmolekül, regt es dieses an. Die Energie wird nach nur einer Billiardstel Sekunde chemisch an das TiO2-Teilchen weitergegeben und hebt dort ein Elektron in das Leitungsband. Denn TiO2 ist ein Halbleiter, das heißt, es ist nicht von selbst leitend, sondern erst dann, wenn Elektronen vom unteren Energiebereich, dem Valenzband, in den leitenden angehoben werden. All die Leitungselektronen, die so entstehen, beginnen nun, durch das TiO2-Netz zu taumeln wie Betrunkene. Zunächst ganz ziellos, denn es gibt ja kein elektrisches Feld, an dem sie sich orientieren könnten. Doch nach kurzer Zeit kristallisiert sich ann doch eine Richtung heraus, nämlich hin zur Glaselektrode.

Die positiv geladenen „Löcher“, die die Elektronen im Farbstoff hinterlassen haben, werden von Elektronen aus dem sie umgebenden Elektrolyten gefüllt, der nun selbst löchrig wird. Und ganz analog zu den immer zielstrebiger taumelnden Elektronen sammeln sich die Löcher allmählich an der entgegengesetzten Elektrode. Das Ergebnis: Beide Elektroden sind nun geladen, und verbindet man sie mit einem Draht, bewegen sich die Elektronen auf die Seite mit den positiv geladenen Löchern, um sie aufzufüllen – Strom fließt.

„Der entscheidende Unterschied zu herkömmlichen Solarzellen aus Halbleitern ist: Lichtabsorption und Ladungstransport sind getrennt. Das Licht wird durch empfindliche Moleküle – ähnlich Chlorophyll in der Photosynthese  – absorbiert“, erklärt Grätzel das Prinzip seiner Zelle. Der Ladungstransport erfolgt dagegen im Leitungsband der TiO2-Nanoteilchen. „Dazu brauchen wir kein dotiertes Material“, sagt Grätzel, „die Halbleiter in herkömmlichen Solarzellen müssen dagegen als sehr reine Feststoffe vorliegen und gleichzeitig Licht absorbieren, die dabei erzeugten positiven und negativen Ladungen trennen und zum Stromkollektor transportieren.“

Dotiert bedeutet, dass man den Halbleiter – meist Silizium, aber auch Galliumarsenid – gezielt mit Atomen anderer Elemente verunreinigt, um einen Überschuss an Elektronen oder Löchern zu haben, die den Ladungstransport durchführen.

Der Transport der Löcher in der Grätzel-Zelle wird hingegen vom Elektrolyten bewerkstelligt. Dazu kommt, dass die Elektronen im TiO2 eine tausendfach längere Lebensdauer als in einer herkömmlichen Solarzelle haben, bevor sie in ein Loch zurückfallen. Ein weiterer Vorteil: Der Farbstoff kann das gesamte Spektrum sichtbaren Lichts absorbieren und ist sehr robust. Denn: „Ein Farbstoff-Molekül ist im Laufe von zwanzig Jahren insgesamt nicht länger als eine Millisekunde angeregt. Ohne die Nanopartikel hätte das Ganze aber nicht funktioniert.“

Der Wirkungsgrad der Grätzel-Zellen liegt derzeit bei der Hälfte des Wertes herkömmlicher Solarzellen, bei zehn Prozent. „Deren Wirkungsgrad wird aber unter Standardbedingungen gemessen, die wenig realistisch sind, also bei 25 Grad Celsius“, betont Grätzel. Der maximale Wirkungsgrad heutiger Solarzellen werde in Tests nur mit frontalen Lichtblitzen erreicht und berücksichtige weder Bewölkung noch den Einfallswinkel des Lichts.

Wie das japanische Wirtschaftsmagazin Nikkei  berichtete, hätten Außenversuche von Aisin-Seiki Toyota über ein halbes Jahr ergeben, dass die rötlich schimmernden Grätzel-Zellen mehr Energie hereinholen als Siliziumzellen. Inzwischen haben einige Firmen die Technik lizenziert. In Australien hat die Firma Sustainable Technology International begonnen, sie zu vermarkten. Das US-Unternehmen Konarka Technologies hat ein Verfahren entwickelt, mit dem Grätzel-Zellen auf flexible Plastikbänder aufgebracht werden können. Ende 2004 soll die erste Solarzelle dieser Art in den Handel kommen.

weiter am Donnerstag: Wettrüsten

Lesen Sie weiter:

Klicken Sie hier, um das Buch bei unserem Partner amazon.de zu bestellen:

Niels Boeing: Nano?! Die Technik des 21. Jahrhunderts
Rowohlt, Berlin 2004, 16,90