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Mittwoch, 13.12.2017
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Die zukünftige Solarzelle trägt Pink

Pigment-Solarzellen nutzen Farbstoff als Lichtabsorber

Pink könnte die Farbe der neuen „grünen Energie“ sein – jedenfalls wenn es nach amerikanischen Forschern geht. Denn sie haben eine neue Art von Solarzellen entwickelt, die eine Mischung aus rotem Pigment und weißem Metalloxidpulver nutzt, um Sonnenenergie einzufangen und umzuwandeln.
Solarzellen

Solarzellen

Die Farbe einer Solarzelle bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts sie einfängt und umwandeln kann. Konventionelle Solarzellen erscheinen meist bläulich schimmernd, da sie mit einer antireflektiven Schicht überzogen sind. Diese Schicht verstärkt zudem die Absorption des grünen Lichtanteils, der im Sonnenlicht besonders stark vertreten ist.

Farbe beeinflusst Spannung und Stromstärke


Doch nicht immer ist ein breites Spektrum günstig, wie Yiying Wu von der Ohio State Universität erklärt: „Wenn man die größte Effektivität erreichen will, muss man sowohl die Spannung als auch die Stromstärke betrachten, die man erreichen kann. Wenn man eine breites Spektrum an Wellenlängen absorbiert, geht dies zu Lasten der Spannung, Andererseits, wenn die Schwelle für die Absorption sehr hoch ist, erreicht man zwar hohe Spannungen, aber opfert dafür Stromstärke. Das Ziel ist es daher, hier eine Balance zu finden.“

In den seit den 1990er Jahren entwickelten Pigment-Solarzellen (dye-sensitized solar cells, DSSCs) umhüllen Farbmoleküle winzige Metalloxid-Partikel und bilden gemeinsam einen dünnen Film. Pink als Solarzellfarbe ist dabei keineswegs ungewöhnlich: Denn die meisten DSSCs enthalten Ruthenium, das rot gefärbt ist, sowie ein Metalloxid, meist Titanoxid oder Zinkoxid, das weißlich ist.


Die Farbmoleküle absorbieren die Lichtenergie und setzen dabei Elektronen frei, die Metalloxidpartikel fungieren dabei als Leiter und transportieren die Elektronen zu einem elektrischen Schaltkreis. Doch auf dem Weg dorthin können Elektronen verloren gehen, sie „versickern“ gewissermaßen zwischen den Oxidteilchen. Daher erreichen die Pigmentsolarzellen zurzeit gerade mal die Hälfte der Effizienz der konventionellen Solarzellen – kosten allerdings dafür auch nur ein Viertel so viel.

Elektronen „versickern“


So könnte die neue Pigment-Solarzelle aussehen

So könnte die neue Pigment-Solarzelle aussehen

Die Forscher um Wu probierten daher eine neue Kombination aus, um die Effektivität dieser Solarzellen zu verbessern. Sie setzten erstmals statt eines einfachen Metalloxids die komplexere Verbindung Zinkstannat ein. Der Vorteil: Zinkstannat lässt sich in seinen Eigenschaften leicht verändern und ermöglicht so die Produktion maßgeschneiderter Solarzellen. Die erreichte Effizienz lag allerdings noch immer deutlich unterhalb der konventioneller Solarzellen.

Doch die Wissenschaftler sind noch längst nicht am Ende ihres Lateins: Denn bereits im letzten Jahr haben sie DSSCs auf Titanoxid-Basis entwickelt, in denen winzige Nanodrähte das „Versickern“ der Elektronen verhinderten. Jetzt erhoffen sie sich eine noch größere Effizienz durch die Kombination beider Methoden: Sie wollen winzige verzweigte „Bäume“ aus Zinkstannat einsetzen, um die Elektronen „in der Spur“ zu halten

Bäume als Vorbild


„Wir haben uns gefragt, welche Struktur am besten geeignet sein könnte, um Licht einzufangen und Materialien zu transportieren – und stießen auf das Vorbild Baum“, erklärt Wu. „Seine Blätter liefern eine große Oberfläche für die Absorption von Licht und die Zweige transportieren die Nährstoffe zu den Wurzeln. In unserem DSSC-Entwurf entsprechen die von Farbe umhüllten Partikel die Oberfläche, und die Nano-Bäume transportieren die Elektronen.“

Möglicherweise werden daher eines Tages pinkfarbene Solarzellen die Dächer unserer Häuser verzieren – aber andere Farben sind durchaus auch möglich. Denn die Wissenschaftler experimentieren zurzeit mit gleich einer ganzen Reihe von verschiedenfarbigen Pigmenten und Oxidkombinationen.
(Ohio State University, 31.07.2007 - NPO)
 
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