Grätzelzelle – Die Alternative zur Solarzelle auf Silizium-Basis

Wissenschaftler und technikaffine Menschen feiern die Grätzelzelle als zukunftsweisende Möglichkeit, um Energie zu gewinnen. Dabei soll ihre Herstellung noch ökologischer und günstiger sein als im Fall von Silizium-Zellen. Im Bereich der erneuerbaren Energien würde sie damit eine bahnbrechende Methode der modernen Energiegewinnung darstellen. Doch ist die Grätzelzelle der herkömmlichen Solarzelle wirklich überlegen?

Definition der Grätzel-Zelle

Grätzelzellen (englisch Dye Sensitized Solar Cells oder DSSC) sind organische oder synthetische Solarzellen, die anders als herkömmliche Varianten nicht aus Silizium bestehen und ohne Halbleiter auskommen. Das Funktionsprinzip ähnelt der Photosynthese. Die elektro-chemische Zelle erzeugt Strom auf Basis von Farbstoffen, daher ist auch die Bezeichnung Farbstoffsolarzelle geläufig. Benannt ist die Grätzelzelle nach ihrem Erfinder, dem Chemiker Michael Grätzel.

Aufbau und Funktionsweise

Eine einfache Grätzelzelle besteht aus vier Schichten:

  • zwei äußere Schichten aus leitfähigem Glas (Kathode und Anode)
  • eine Schicht aus Titan(IV)-oxid, Farbstoffen und einem Elektrolyt
  • eine Graphitschicht im Inneren auf der Kathoden-Seite

Bei der Funktionsweise handelt es sich um eine Redox-Reaktion, die folgendermaßen abläuft:

    1. Ein Licht-Photon löst ein Elektron aus dem Farbstoff heraus. Das geschieht durch das Anheben des Elektrons auf ein höheres Energieniveau.

    2. Das Titan(IV)-oxid nimmt das Elektron auf, weil es dadurch einen Teil seiner Energie wieder verliert.

    3. Das Elektrolyt ersetzt das Elektron im Farbstoff, damit es nicht wieder aufgenommen wird.

    4. Das freie Elektron gelangt durch die Leitfähigkeit des Titan(IV)-oxids zur Anode und von dort zum Verbraucher, in dem es weitere Energie verliert.

    5. Die Kathode führt das nicht mehr angeregte Elektron durch den Katalysator (Graphitschicht) zurück in die Grätzelzelle.

Vor- und Nachteile der Grätzelzellen gegenüber herkömmlichen Solarzellen

Grätzelzellen besitzen zahlreiche Vorteile:

  • Anwendungsmöglichkeiten: Die Farbstoffzelle lässt sich auf verschiedenste Trägermaterialien aufbringen, zum Beispiel auf Glas oder elastische Folien. Dies erlaubt eine flexible Integration in Gebäuden.
  • Vielseitigkeit: Sie ist in architektonischer Hinsicht interessant, da sie verschiedene Farben und Formen annehmen kann.
  • Volle Lichtausnutzung: Anders als Solarzellen nutzen die Zellen auch diffuses Licht aus.
  • Umweltvorteil: Für den Bau einer Grätzelzelle sind weniger Rohstoffe nötig, Hersteller können auf Silizium vollständig verzichten. Der Bau belastet die Umwelt daher noch etwas weniger.
  • Preisvorteil: Der Bau der Zellen ist relativ einfach und durch den geringen Rohstoff- und Energiebedarf vergleichsweise günstig.

Noch ist die Funktionsweise nicht ausgereift. Einige Nachteile sorgen dafür, dass die Grätzelzelle die herkömmliche Solarzelle noch nicht ersetzen kann:

  • Wirkungsgrad: Im Labor ist ein Wirkungsgrad von 12,3 Prozent möglich, kommerziell beläuft sich dieser jedoch auf zwei bis drei Prozent. Es gibt allerdings Potential für Verbesserungen. Der Erfinder der Grätzelzelle geht davon aus, dass mit intensiver Forschung und Weiterentwicklung ein Wirkungsgrad von bis zu 31 Prozent möglich ist.
  • Lebensdauer: Diverse Bestandteile der Grätzelzelle sind sehr instabil. Licht zerstört auf Dauer die Farbstoffe, wässrige Inhaltsstoffe verdampfen. Bisher konnten Forscher noch kein Trägermaterial entwickeln, das Gasdichtheit,
  • Flexibilität und UV-Beständigkeit über mehrere Jahrzehnte ermöglicht.
  • Durch den Einsatz synthetischer Farbstoffe konnten Forscher Wirkungsgrad und Lebensdauer bereits massiv verbessern.

Kommerzielle Umsetzung einer Farbstoffsolarzelle

Aufgrund des niedrigen Wirkungsgrades und der kurzen Lebensdauer ist eine kommerzielle Nutzung der Grätzelzellen bisher nicht sinnvoll. Die Vorteile allein reichen nicht aus, um sie reif für eine Serienproduktion zu machen.

Dennoch gibt es in der österreichischen Stadt Graz bereits eine 2.000 Quadratmeter große Fassade voller Grätzelzellen, die ein Gebäude mit Energie versorgen. Der 60 Meter hohe Science Tower ist Teil eines ökologischen und nachhaltigen Wissenschafts-Clusters und wurde 2017 für den Bürobetrieb eröffnet.

So stellen Sie zu Hause eigene Grätzelzellen her

Der Bau der Farbstoffzellen ist so einfach, dass Sie auch selbst zuhause Grätzelzellen bauen können. Im Folgenden erhalten Sie eine vereinfachte Anleitung, in der Sie den Träger nicht selbst mit Titan(IV)-oxid beschichten müssen. Dieser Schritt erfordert unter anderem einen leistungsstarken Ofen, der in gewöhnlichen Haushalten nicht vorhanden ist.

Materialliste

  • Träger: zwei Scheiben leitfähiges TCO-Glas (je 2,5 x 5 cm), davon eine mit Titandioxid-Beschichtung
  • Farbstoffe: abgekühlter Hibiskusblütentee (oder Beerensaft)
  • Elektrolyt: gebrauchsfertige Iod-Kaliumiodid-Lösung (oder Lugolsche Lösung)
  • Graphit: weiche Bleistiftmine (oder Graphit-Spray, Feuerzeug-Ruß)
  • Tesafilm

Einige Onlineshops bieten komplette Baukästen an, zum Beispiel ManSolar (https://www.mansolar.nl/). Wer das TCO-Glas lieber selbst mit Titan(IV)-oxid beschichten möchte, findet im Shop von Bionik-Sigma (http://shop.bionik-sigma.de/) geeignete Scheiben.

Geräteliste

  • Petrischale
  • Zange
  • Stoppuhr
  • zwei Klammern
  • Pipette
  • 500-Watt-Lampe (oder Sonnenlicht)
  • Multimeter mit Messkabel
  • Krokodilklemmen

Anleitung

Wichtig: Fassen Sie nicht auf die Beschichtungen!

    1. TCO-Glas färben: Tauchen Sie den mit Titandioxid beschichteten Träger in der Petrischale in Hibiskusblütentee und lassen Sie den Farbstoff fünf Minuten einziehen. Entnehmen Sie den Träger mit der Zange und lassen Sie ihn trocknen.

    2. TCO-Glas mit Graphit beschichten: Ermitteln Sie mit dem Multimeter, welche Oberfläche des zweiten Trägers elektrisch leitfähig ist. Schützen Sie die Ränder der schmalen Seiten durch Anbringen von Tesafilm. Hier befestigen Sie später die Krokodilklemmen. Tragen Sie Graphit durch ausgiebiges Reiben der Bleistiftmine an der Oberfläche auf. Entfernen Sie anschließend die Tesafilm-Streifen.

    3. Zelle schließen und Elektrolyt hinzugeben: Führen Sie die Beschichtungen der Träger zusammen und fixieren Sie die Zelle mit Klammern. Die mit Tesafilm abgeklebten Stellen sollten jeweils an den Seiten überstehen. Mit einer Pipette tragen Sie das Elektrolyt auf, indem Sie es auf die Kontaktstellen der Träger geben. Es sollte sich im Inneren der Zelle vollständig verteilen.

    4. Multimeter anschließen und Strom messen: Schließen Sie das Multimeter mittels Krokodilklemmen an und beachten Sie dabei Anode und Kathode. Anschließend messen Sie den Stromfluss, indem Sie die Grätzelzelle mit der Anode ins Licht legen.

Fazit: Sie hören wieder von der Grätzel Zelle!

Die Solarzelle ist nur deshalb überlegen, weil die Grätzelzelle einen geringeren Wirkungsgrad und eine kürzere Lebensdauer aufweist. Zurzeit befassen sich verschiedene Universitäten mit der Weiterentwicklung von Bauart und Energieausbeute, um sie eines Tages für den flächendeckenden, kommerziellen Gebrauch nutzbar zu machen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass uns in einigen Jahren oder Jahrzehnten ein Durchbruch in der Forschung erwartet, der die ganze Photovoltaik-Branche aufwirbelt.

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