Grätzelzelle – Alternative zur Solarzelle auf Silizium-Basis?

Grätzelzellen (englisch Dye Sensitized Solar Cells oder DSSC) sind organische oder synthetische Solarzellen, die anders als herkömmliche Varianten nicht aus Silizium bestehen und ohne Halbleiter auskommen. Das Funktionsprinzip ähnelt der Photosynthese. Die elektro-chemische Zelle erzeugt Strom auf Basis von Farbstoffen, daher ist auch die Bezeichnung Farbstoffsolarzelle geläufig. Benannt ist die Grätzelzelle nach ihrem Erfinder, dem Chemiker Michael Grätzel.

Eine einfache Grätzelzelle besteht aus vier Schichten:

• zwei äußere Schichten aus leitfähigem Glas (Kathode und Anode)
• eine Schicht aus Titan(IV)-oxid, Farbstoffen und einem Elektrolyt
• eine Graphitschicht im Inneren auf der Kathoden-Seite

Bei der Funktionsweise handelt es sich um eine Redox-Reaktion, die folgendermaßen abläuft:

1. Ein Photon (Lichtteilchen) hebt ein Elektron auf ein höheres Energieniveau und löst es so aus dem Farbstoff heraus.
2. Das Titan(IV)-oxid nimmt das Elektron auf, weil es dadurch einen Teil seiner Energie wieder verliert.
3. Das Elektrolyt ersetzt das Elektron im Farbstoff, damit es nicht wieder aufgenommen wird.
4. Das freie Elektron gelangt durch das leitende Titan(IV)-oxid zur Anode und von dort zum Verbraucher, in dem es weitere Energie verliert.
5. Die Kathode führt das nicht mehr angeregte Elektron durch den Katalysator (Graphitschicht) zurück in die Grätzelzelle.

Aufgrund des niedrigen Wirkungsgrades und der kurzen Lebensdauer ist eine kommerzielle Nutzung der Grätzelzellen bisher nicht sinnvoll. Die Vorteile allein reichen nicht aus, um sie reif für eine Serienproduktion zu machen.

Dennoch gibt es in der österreichischen Stadt Graz bereits eine 2.000 m² große Fassade voller Grätzelzellen, die ein Gebäude mit Energie versorgen. Der 60 m hohe Science Tower ist Teil eines ökologischen und nachhaltigen Wissenschafts-Clusters und wurde 2017 für den Bürobetrieb eröffnet.

Der Bau der Farbstoffzellen ist so einfach, dass Du auch selbst zuhause Grätzelzellen bauen kannst. Im Folgenden erhältst Du eine vereinfachte Anleitung, in der Du den Träger nicht selbst mit Titan(IV)-oxid beschichten brauchst. Dieser Schritt erfordert nämlich einen leistungsstarken Ofen, der in gewöhnlichen Haushalten nicht vorhanden ist.

• Träger: zwei Scheiben leitfähiges TCO-Glas (je 2,5 x 5 cm), davon eine mit Titandioxid-Beschichtung
• Farbstoffe: abgekühlter Hibiskusblütentee (oder Beerensaft)
• Elektrolyt: gebrauchsfertige Iod-Kaliumiodid-Lösung (oder Lugolsche Lösung)
• Graphit: weiche Bleistiftmine (oder Graphit-Spray, Feuerzeug-Ruß)
• Tesafilm

Einige Onlineshops bieten komplette Baukästen an, zum Beispiel ManSolar.

• Petrischale
• Zange
• Stoppuhr
• zwei Klammern
• Pipette
• 500-Watt-Lampe (oder Sonnenlicht)
• Multimeter mit Messkabel
• Krokodilklemmen

Wichtig: Du solltest nicht auf die Beschichtungen fassen!

1. TCO-Glas färben: Tauch den mit Titandioxid beschichteten Träger in der Petrischale in Hibiskusblütentee und lass den Farbstoff fünf Minuten einziehen. Entnimm den Träger mit der Zange und lass ihn trocknen.
2. TCO-Glas mit Graphit beschichten: Ermittle mit dem Multimeter, welche Oberfläche des zweiten Trägers elektrisch leitfähig ist. Schütze die Ränder der schmalen Seiten durch Anbringen von Tesafilm. Hier befestigst Du später die Krokodilklemmen. Trage Graphit durch ausgiebiges Reiben der Bleistiftmine an der Oberfläche auf. Entferne anschließend die Tesafilm-Streifen.
3. Zelle schließen und Elektrolyt hinzugeben: Führe die Beschichtungen der Träger zusammen und fixiere die Zelle mit Klammern. Die mit Tesafilm abgeklebten Stellen sollten jeweils an den Seiten überstehen. Trage das Elektrolyt mit einer Pipette auf, indem Du es auf die Kontaktstellen der Träger gibst. Es sollte sich im Inneren der Zelle vollständig verteilen.
4. Multimeter anschließen und Strom messen: Schließe das Multimeter mittels Krokodilklemmen an und beachte dabei Anode und Kathode. Miss anschließend den Stromfluss, indem Du die Grätzelzelle mit der Anode ins Licht legen.

Noch ist die Grätzelzelle herkömmlichen Solarzellen unterlegen, weil sie einen geringeren Wirkungsgrad und eine kürzere Lebensdauer aufweist. Zurzeit befassen sich verschiedene Universitäten mit der Weiterentwicklung von Bauart und Energieausbeute, um sie eines Tages für den flächendeckenden, kommerziellen Gebrauch nutzbar zu machen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass uns in einigen Jahren oder Jahrzehnten ein Durchbruch in der Forschung erwartet, der die ganze Photovoltaik-Branche aufwirbelt.