Solarzellen neu gedacht: Fenster die Strom erzeugen

Eigentlich ist die Technologie sogar schon etwas älter. Nun wurde sie aber deutlich verbessert. In den 1990er Jahren wurden sogenannte mesoskopische farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSCs) von Brian O’Regan und Michael Grätzel entwicklt - die weltberühmten Grätzel-Zellen.

DSCs wandeln Licht durch Photosensibilisatoren in Elektrizität um. Dies sind Farbstoffverbindungen, die Licht absorbieren und Elektronen in eine Anordnung von Oxid-Nanokristallen injizieren, die anschließend als elektrischer Strom gesammelt werden.

Das Besondere ist: Die DSCs sind transparent und sie können relativ kostengünstig in mehreren Farben hergestellt werden. So lassen sie sich in Glassfassaden, Fenstern oder in Gewächshäusern einbauen.

Darüber hinaus können besonders leichte und flexible Versionen von DSCs zur Erzeugung von elektrischem Strom für tragbare elektronische Geräte wie Kopfhörer und E-Reader genutzt werden, sagen die Autoren in ihrer Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature.

Die Autoren sagen: „Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für einen einfachen Zugang zu Hochleistungs-DSCs und bieten vielversprechende Perspektiven für Anwendungen als Stromversorgung und Batterieersatz für elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch, die Umgebungslicht als Energiequelle nutzen.“

Voraussetzung für diesen Entwicklungsschub waren Fortschritte bei den so genannten Photosensibilisatoren. Deren Leistung wurde sowohl unter Sonneneinstrahlung als auch bei normalem Umgebungslicht verbessert. Der Schlüssel zur Verbesserung der Effizienz liegt nach Aussage der Autoren in der Anordnung von Farbstoffmolekülen auf der Oberfläche.

Dazu wird die Co-Sensibilisierung genutzt. Das ist ein chemischer Herstellungsansatz, der DSCs mit zwei oder mehr Farbstoffen erzeugt, die eine komplementäre optische Absorption ermöglichen. Die Co-Sensibilisierung hat die Umwandlungseffizienz von DSCs auf neue Rordwerte gebracht, sagen die Autoren.

Mit ihren neuen Photosensibilisatoren können die Wissenschaftler nämlich Licht aus dem gesamten sichtbaren Bereich einfangen. Mit diesem Ansatz war das Team in der Lage, DSCs mit einer Leistungsumwandlungseffizienz von 15,2 Prozent unter standardmäßigem global simuliertem Sonnenlicht zu entwickeln, wobei die langfristige Betriebsstabilität über 500 Stunden getestet wurde.

Zellen mit einer größeren aktiven Fläche hatten sogar eine Leistungsumwandlungseffizienz von 28,4 bis 30,2 Prozent - innerhalb einer breiten Variation von Umgebungslichtintensitäten. Sie können das einfache Umgebungslicht als Energiequelle verwenden.