Die Grätzelzelle – eine Solarzelle für die Zukunft?

Seit fast fünf Milliarden Jahren liefert unsere Sonne Energie in Form von Wärme und Licht. Die Pflanzen auf unserem Planeten haben sich mit Hilfe der Photosynthese dieser konstanten Energiequelle bedient und die Erde in einen blaugrünen Planeten verwandelt. Mithilfe einer Art technischen Photosynthese wandelt eine besondere Solarzelle Sonnenlicht in elektrischen Strom um. Felix Läderach erklärt, wie die Grätzelzelle funktioniert.

Die Sonne als Energiequelle gewinnt in der heutigen Zeit für den Menschen immer mehr an Bedeutung, denn der Vorrat der fossilen Brennstoffe – zum Beispiel Erdöl oder Kohle – neigt sich langsam aber sicher dem Ende zu. Noch 2010 wurden in Deutschland fast achtzig Prozent der benötigten Energie aus fossilen Brennstoffen gewonnen. Außerdem belastet die Verbrennung von Erdöl und Kohle unsere Umwelt.

Erneuerbare Energien stellen deshalb eine sinnvolle Alternative dar. Ein solche Alternative ist die Photovoltaik – die Umwandlung von Licht in elektrische Energie mithilfe von Solarzellen.

Von der Natur inspiriert

Herkömmliche Silizium-Solarzellen, die heutzutage auf vielen Hausdächern zu finden sind, wandeln bereits Sonnenlicht in nutzbare elektrische Energie um. Allerdings ist der Energieaufwand, solche Silizium-Solarzellen herzustellen, sehr hoch und die entsprechenden Photovoltaikanlagen sind teuer. Das Silizium muss unter anderem auf bis zu eintausend Grad Celsius erhitzt werden, damit es zu einem möglichst reinen Halbleiter und einer effizienten Solarzelle verarbeitet werden kann.

Durchsichtige Glasplatte mit gelbem Viereck und rotem Kreis. Links und rechts der Glasplatte sind silbrige Anschlüsse befestigt.
Grätzelzelle im Labor

1991 entwickelte Michael Grätzel, Professor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne (EPFL), eine neuartige Solarzelle die wesentlich umweltverträglicher und dazu auch noch kostengünstiger ist. Inspiriert wurde er bei seiner Erfindung von der Photosynthese der Pflanzen: Anstatt dass ein Halbleitermaterial wie Silizium das Sonnenlicht absorbiert und in einen elektrischen Strom umwandelt, enthält die sogenannte Grätzelzelle einen Farbstoff, der wie das Chlorophyll bei Pflanzen das Licht einfängt und in Energie umwandelt. Hierzu werden oft die natürlichen Farbstoffe von Brombeeren, Safran oder Rote Bete genutzt, aber auch künstliche Farbstoffe kommen zum Einsatz. Während bei Pflanzen das Sonnenlicht in chemische Energie und später in Kohlenhydrate umgewandelt wird, erzeugt die Grätzelzelle mithilfe der Farbstoffmoleküle elektrischen Strom.

 

Aufbau der Grätzelzelle

Die unterschiedlichen Schichten der Grätzelzelle sind farblich dargestellt, in der Mitte in gelb das Elektrolyt mit den an einem Glasplättchen anhaftenden Farbmolekülen als weiße Kügelchen mit roten, runden Elektronen. Der Weg eines Elektrons ist anhand eines blauen Kreises und Pfeilen markiert. Zu zwei Seiten des Elektrolyts sind in hellblau die Glasplättchen dargestellt. Grüne gewellte Pfeile stellen einfallendes Sonnenlicht dar und treffen auf die Farbmoleküle. Neben der schematischen Zelle ist ein angeschlossener Verbraucher mit schwarzen Linien eingezeichnet.
Funktionsweise der Grätzelzelle

Doch der Farbstoff allein erzeugt keinen nutzbaren elektrischen Strom. Verantwortlich für die Energieumwandlung sind elektrochemische Reaktionen zwischen dünnen Materialschichten innerhalb der Grätzelzelle: Die Elektronen der Farbstoffmoleküle nehmen die Energie des Sonnenlichts auf und gelangen in einen Kreislauf, der über einen Verbraucher, etwa einer Lampe, führt. 

Die verschiedenen Schichten der Grätzelzelle sind sandwichartig aufgebaut: Zwischen zwei gegenüberliegenden Glasplättchen, die in einem Abstand von dreißig Millionstel Metern übereinander kleben, befindet sich neben den Farbstoffmolekülen ein Elektrolyt. Ein Elektrolyt ist eine Flüssigkeit die Elektronen transportiert. Beide Glasplättchen bestehen aus sogenanntem TCO-Glas und können dank einer dünnen, durchsichtigen Oxid-Beschichtung elektrischen Strom leiten. TCO steht für das englische transparent conductive oxide.

Die Grätzelzelle ist in verschieden farbigen Schichten dargestellt. Ganz außen befinden sich die hellblauen Glasplättchen mit angrenzender, dünner TCO-Schicht in braun. In der Mitte sieht man einen dickeren Balken des Elektrolyts in gelb, einen roten Streifen für den Farbstoff und einen weissen Streifen Titanoxid.
Aufbau der Grätzelzelle

Eines der TCO-Glasplättchen ist mit Titandioxid (TiO2) beschichtet, das als weisses Pulver zum Beispiel auch in Zahnpastas (weisse Farbe) oder Sonnencremes (Lichtschutzfaktor) vorhanden ist. In der Grätzelzelle dient das Titandioxid als Haftschicht für die Farbstoffmoleküle, die die wichtigste Schicht der Grätzelzelle bilden: Hier wird die Energie des einfallenden Sonnenlichts aufgenommen. Im Gegensatz zur Silizium-Solarzelle, in der Licht die Elektronen im Halbleiter anregt, werden bei der Grätzelzelle Elektronen eines Farbstoffs angeregt. Dieses erste Glasplättchen heißt auch Photoelektrode.

Auf dem anderen Plättchen – Gegenelektrode genannt – befindet sich eine Platin- oder Graphitschicht. Sie hat die Aufgabe eines Elektrokatalysators. Dieser fördert die Aufnahme und Weitergabe von Elektronen in der Grätzelzelle und hilft, dass die Elektronen in einen Kreislauf gelangen und beim Verbraucher ankommen.

Das große Forschungsziel: Wirkungsgrad erhöhen

Allerdings hat die Grätzelzelle einen großen Nachteil: Während Silizium-Solarzellen bis zu zwanzig Prozent der aufgenommenen Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln, liegt der Wirkungsgrad der Grätzelzelle weit darunter. Mit künstlichen Farbstoffen, die aus dem Metall Ruthenium hergestellt werden, erzielen Wissenschaftler zurzeit die besten Wirkungsgrade zwischen zehn und zwölf Prozent – bei natürlichen Farbstoffen liegt er noch bei unter zwei Prozent.

Die Grätzelzelle befindet sich allerdings noch im Entwicklungsstadium. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, müssen die Wissenschaftler noch einen geeigneten Farbstoff finden, der einerseits viel Sonnenlicht absorbiert, andererseits aber auch an der Titanoxidschicht der Zelle gut haften bleibt. 

Zurzeit wird an mehreren Universitäten und Instituten an der Grätzelzelle geforscht, denn sie birgt viel Potenzial. So ist sie in Zeiten von Erdölknappheit und Atomausstieg als alternative Energiequelle sehr interessant. Denn selbst mit einem Wirkungsgrad von nur fünf Prozent produziert eine quadratmetergroße Grätzelzelle in unseren Breitengraden an einem sonnigen Sommertag schon genügend Strom um ein Smartphone etwa vier bis fünf Tage zu betreiben.

Aufnahme der Fassade von Innen. An der Fassade sind farbige Streifen erkennbar. Davor laufen mehrere Menschen.
Fassade aus Grätzelzellen

Erste Anwendungen der Grätzelzelle gibt es bereits: An der EPFL in Lausanne entsteht beim Bau des Swiss Tech Convention Center eine Fassade aus verschiedenfarbigen Grätzelzellen mit einer Fläche von rund drei Hundert Quadratmetern.

 

 

Vergleich der Grätzelzelle zur Silizium-Solarzelle

Grätzelzelle

Silizium-Solarzelle

+ kostengünstige Herstellung

+ Materialien in großen Mengen vorhanden

+ gestalterische Möglichkeiten (zum Beispiel verschiedene Farben, Muster)

+ kaum Wirkungsgradeinbußen bei indirektem Licht

+ hoher Wirkungsgrad

+ hohe Stabilität

- niedriger Wirkungsgrad bei natürlichen Farbstoffen

- künstliche Farbstoffe sind aufwendig herzustellen und damit teuer

- geringe Lebensdauer

- niedriger Wirkungsgrad bei indirektem Licht

- viel Energie für Herstellung nötig