Aufbau und Funktionsweise
Farbstoffzellen, oder auf Englisch „dye-sensitized cells“ (DSC), bestehen zum Beispiel aus einer porösen Schicht von kleinenTitandioxid-Partikeln, auf die eine Schicht aus Farbstoffmolekülen aufgetragen wird. Diese Schicht ist monomolekular, sie ist also nur ein Molekül dünn. Trifft ein Photon auf den Farbstoff, wird ein Elektron auf das Titandioxid transferiert. Die Zelle kann nur funktionieren, weil das Titandioxid eine elektronenselektive Elektrode ist und dadurch nur negative Ladungen vom Farbstoff aufnimmt. Ein Elektrolyt, das ist eine leitfähige Lösung, liefert die Elektronen an den Farbstoff nach, so dass der Stromkreis geschlossen werden kann.
In den Festkörper-Farbstoffzellen, die Michael Grätzel 1998 vorgestellt hat, wird der flüssige Elektrolyt durch einen Festkörper ersetzt, den sogenannten Lochleiter. Er ist das Gegenstück zum Titandioxid, ebenfalls ein selektiver Kontakt, der allerdings nicht Elektronen aufnimmt, sondern Löcher. Das sind die positiven Ladungen.
In gewissem Sinne entspricht das Titandioxid dem n-Leiter der Siliziumsolarzelle und der Lochleiter dem p-Leiter. Das Funktionsprinzip einer Farbstoffzelle, deren Farbstoff nicht leitet, unterscheidet sich zwar fundamental von dem der Silizium-Halbleiterzellen, wo die Ladungsträgertrennung nicht durch Elektronentransfer, sondern durch Diffusionsprozesse an dem p-n-Übergang im Halbleiter stattfindet. Aber in beiden Zelltypen kommt es darauf an, die durch das Licht angeregten Elektronen von den gleichzeitig entstehenden Löchern zu trennen.
Bis zum Jahr 2012 dachten die Forscher, zur Trennung der Ladungen sei es bei den Perowskitzellen wie bei Farbstoffzellen nötig, das Material zwischen einem Lochleiter und einem elektronensensitiven Kontakt wie dem Titandioxid einzufassen. Doch dann wurde klar, dass es im Prinzip auch ohne den Lochleiter geht, weil der Perowskit selbst ein Halbleiter ist und diese Aufgabe übernehmen kann. Allerdings werden die Zellen mit besonders hohem Wirkungsgrad immer noch mit dem Lochleiter hergestellt.
Prof. Grätzel, Perowskite und mehr – Im Rahmen des „Future PV Forum“ beim 15. Forum Solarpraxis am 27. November in Berlin diskutieren Experten, unter anderem Michael Grätzel, Innovationen aus der Forschung und ihre Relevanz für die die PV-Industrie.
Dieser Artikel von Michael Fuhs stammt aus der aktuellen Printausgabe des pv magazine – dort auch ein Hintergrundbericht zu Zell-und Modultechnologien, die an der Schwelle zur Markteinführung stehen.
->Quelle: pv-magazine.de