Ein neuer Farbstoff revolutioniert Solarzellen

EPFL-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben einen neuen Farbstoff für Solarzellen entwickelt, der eine hohe Energieumwandlungseffizienz ermöglicht und gleichzeitig einfach und billig herzustellen ist. Der Farbstoff funktioniert auch aussergewöhnlich gut bei schwachem Licht, was für Geräte mit eigener und geringer Leistung entscheidend ist.

Nik Papageorgiou 22.03.2021

1991 veröffentlichten die Wissenschaftler Brian O'Regan und Michael Grätzel an der EPFL eine bahnbrechende Arbeit, in der sie eine neue Art von Solarzelle beschrieben: die Farbstoffsolarzelle (DSSC), auch bekannt als «Grätzel-Zelle». Einfach und billig zu bauen und gleichzeitig flexibel und vielseitig einsetzbar, werden DSSCs bereits im Multi-Megawatt-Massstab hergestellt und decken einen bedeutenden Teil des Photovoltaikmarktes ab, der derzeit fast 3 % des gesamten Stroms weltweit liefert, und sind im Rennen um die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen gut aufgestellt.

Jetzt haben Dan Zhang und Marko Stojanovic, zwei Doktoranden in Grätzels Labor an der School of Basic Sciences der EPFL, die Entwicklung eines einfachen Farbstoffs für DSSCs, genannt MS5, geleitet. In den Geräten kann dieser neue Sensibilisator entweder als Einzelfarbstoff verwendet werden und eine Leerlaufspannung – die maximale Spannung, die eine Solarzelle bei vollem Sonnenlicht erreichen kann – von 1,24 Volt erzeugen oder als Co-Sensibilisator, zusammen mit dem kommerziellen Farbstoff XY1b, und eine Stromumwandlungseffizienz von 13,5 % ermöglichen. Beide Werte gehören zu den höchsten im Bereich der DSSCs.

3D-Strukturdarstellung von MS5 und Foto von 3,8 cm2 großen farbstoffsensibilisierten Solarzellen. Credit: Marko Stojanovic und Dan Zhang.

Die Arbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Das Team verwendete diesen neuen Farbstoff in Kombination mit einem anderen organischen Sensibilisator mit dem Code XY1b. Neben der Absorption von Photonen aus dem blauen und gelben Bereich der Sonnenemission besteht die Aufgabe des neuen Farbstoffs in diesem Tandem darin, die Ausgangsspannung des Geräts zu erhöhen, indem er die Rekombination der durch das Licht erzeugten Ladungsträger verzögert. Der MS5 genannte Photosensibilisator wurde zusammen mit einem Kupfer(II/I)-Elektrolyten verwendet, damit der DSSC seine beeindruckende Effizienz erreichen kann.

«Unsere Arbeit stellt einen wichtigen Durchbruch im Bereich der DSSCs und insbesondere des Farbstoffdesigns dar», sagt Michael Grätzel. «Sie zeigt, dass hohe Leistungen mit einem relativ einfachen Farbstoff durch kluges molekulares Engineering der molekularen Struktur des Sensibilisators erreicht werden können.»

«Unsere Ergebnisse treiben nicht nur das Feld der Farbstoffsolarzellen weiter voran, sondern demonstrieren auch die führende Expertise der EPFL auf diesem Gebiet.» Marko Stojanovic

Unter Umgebungslichtbedingungen getestet, zeigte der Farbstoff eine beeindruckende Leistung, was für die Photovoltaik entscheidend ist, um bei bewölktem Himmel effektiv zu sein, oder für Anwendungen in Innenräumen, um elektronische Geräte zu betreiben, die z. B. für das Internet der Dinge eingesetzt werden. Und nicht zuletzt lässt sich MS5 mit einem einstufigen Verfahren, das die Forscher in ihrer Arbeit beschreiben, leicht bis in den Gramm-Massstab synthetisieren.

«Unsere Ergebnisse treiben nicht nur das Feld der Farbstoffsolarzellen weiter voran, sondern demonstrieren auch die führende Expertise der EPFL auf diesem Gebiet», sagt Marko Stojanovic.