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Farbstoffsolarzellen

Die Vorteile der Farbstoffsolarzelle liegen in der potenziell günstigen Herstellungsweise in Kombination mit attraktiven Designmöglichkeiten. Damit die Farbstoffsolarzelle Marktreife erlangen kann, müssen Problemstellungen wie beispielsweise die Langzeitstabilität gelöst werden. Hilfreich ist dabei immer ein fundiertes wissenschaftliches Verständnis der Vorgänge in einer Farbstoffsolarzelle. Im folgenden werden die Funktionsprinzipien der Farbstoffsolarzelle dargestellt.

Der Standardaufbau einer Farbstoffsolarzelle ist in Abb. 1 illustriert. Die Zelle ist dabei zwischen zwei Glasplatten gekapselt, die mit einer transparent leitfähigen, sog. TCO-Schicht (TCO: transparent conductive oxide versehen sind. Auf der Rückelektrode befindet sich zusätzlich eine dünne Schicht katalytisch wirksamen Platins.

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Abbildung 1: Der Standardaufbau der Farbstoffsolarzelle.

 

Farbstoffsolarzellen sind elektrochemische Solarzellen, bei denen das Licht durch Farbstoffmoleküle absorbiert wird. Zumeist werden Ruthenium-Komplexe verwendet, zumeist bis(Tetrabutylammonium) cis di(Isothiocyanato) bis(2,2´-Bipyridyl-4,4´Carboxylat)-Ruthenium (II), auch kurz als N719 bezeichnet. Die Farbstoffmoleküle sind chemisch auf der großen inneren Oberfläche einer nanokristallinen, porösenTiO2-Schicht adsorbiert. Durch Absorption von Photonen werden Elektronen in den Farbstoffmolekülen zu höheren Energiezuständen angeregt und von dort in das TiO2 injiziert. Die Poren der TiO2-Matrix sind durch einen Elektrolyten gefüllt, der mindestens ein redoxaktives Ionenpaar enthält. Typischerweise wird Iodid/Triiodid eingesetzt.

Das Iodid reduziert das oxidierte Farbstoffmolekül durch Elektronentransfer in den Grundzustand und wird selbst dabei zu Triiodid oxidiert. Während das Triiodid zum Rückkontakt diffundiert, werden die Elektronen ebenfalls durch Diffusion durch die TiO2-Matrix zur Frontelektrode transportiert, durchlaufen den äußeren Verbraucher, und treten am Platin-Rückkontakt wieder in die Zelle ein. Dort nehmen sie an der Redoxreaktion teil, bei der Triiodid zu Iodid reduziert, d.h. wieder regeneriert wird.

Am FMF und am Fraunhofer ISE arbeiten wir schwerpunktmäßig an folgenden Themen und Problemstellungen:

  • Charakterisierung von Materialien, die vielversprechend für den Einsatz in Farbstoffsolarzellen sind
  • Verbesserung der Langzeitstabilität und der Versiegelung
  • Testen von industrienahen und kostengünstigen Herstellungsverfahren
  • Charakterisierung und Modellierung der Funktionsweise der Farbstoffsolarzelle und ihrer Teilsysteme
  • Aufskalierung

 

Weitere Informationen finden Sie auf unseren Seiten des Fraunhofer ISE


Einer der Gründe dafür, dass Farbstoffsolarzellen potenziell günstig herzustellen sind, ist die Verwendung des Siebdruckes. Siebdruck ist ein bewährtes Verfahren in der industriellen Fertigung. Bis auf Farbstoff und Elektrolyt können alle Schichten in der Farbstoffsolarzelle durch Siebdruck deponiert werden, also TiO2, die katalytische Schicht auf der Gegenelektrode, die Silberlinien zur Stromführung und nicht zuletzt das Glaslot für die Versiegelung.

In Abbildung 2 ist das Produktionsschema für Farbstoffsolarzellen illustriert.

 

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Abb. 2: Schema der Produktionsschritte bei der Herstellung von Farbstoffsolarzellen.
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