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Ausgabe 01/2001 |
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Ausgabe 01/2001
Photovoltaik
Kopieren schwer gemacht
Photovoltaik-Zellen auf Silizium-Basis sind teuer, das ist kein Geheimnis.
Das aus Abfällen der Chip-Industrie hergestellte Silizium als photoempfindlicher
Werkstofff wird in Zeiten geförderter Solarenergie knapp. Neue Verfahren
zur Silizium-Gewinnung sind noch nicht ausgereift. Die Suche nach Ersatzstoffen
liegt daher nahe.
Forscher orientieren sich auf der Suche nach Ersatzstoffen an Mutter
Natur. Der Farbstoff Chlorophyll ist Ausgangspunkt für Überlegungen,
eine Photozelle auf Farbstoff-Basis zu entwickeln. Die Photosynthese,
die seit 2,5 Milliarden Jahren zur Umsetzung von Strahlungsenergie über
elektrische Energie in chemisch gebundene Energie genutzt wird, bildet
das Modell einer "Bio-Solarzelle". "Heute werden modifizierte Farbstoffe
verwendet, da Chlorophyll nicht so stabil ist" erläutert Professor
Helmut Tributsch, Leiter der Abteilung für Solare Energetik am Berliner
Hahn-Meitner-Institut und einer der ersten, der Überlegungen zu diesem
System veröffentlichte.
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Prototyp einer Grätzel-Zelle
(Foto: EPFL Lausanne)
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Ein Artikel in der Zeitschrift "Nature" brachte die "Biozelle" 1991
in die Schlagzeilen. Der Schweizer Forscher Michael Grätzel, Universität
Lausanne, prophezeite für die nunmehr zur "Grätzelzelle"
mutierte Photozelle niedrige Herstellungskosten, Langlebigkeit und erste
Prototypen 1994.
Die Grätzelzelle imitiert die Funktionsweise der in der Natur vorkommenden
Photosynthese. Die Aufnahme des energierreichen Lichts erfolgt bei Pflanzen
über den Antennen-Farbstoff Chlorophyll. Ähnlich aufgebaute
Farbstoffe werden in möglichst monomolekularer Schicht aufgetragen.
Sie nehmen die Energie des Sonnenlichtes auf und führen die resultierende
Spannung an einen Spannungsnehmer ab.
Der Halbleiter Titandioxid (TiO2) ist auf einer Glasplatte
aufgebracht. Die Glasplatte ist mit einer transparenten Elektrode (z.B.:
Zinndioxid, SnO2) versehen. Die Halbleiter-Schicht wird mit
einem Farbstoff sensibilisiert. Der sensibilisierte Halbleiter wird mit
einem Elektrolyt (Iod-/Iodid-Lösung) übergossen und mit einer
weiteren, leitfähig beschichteten Glasplatte bedeckt. Diese zweite
Glasplatte ist zusätzlich mit einem Katalysator (Platin oder Graphit)
beschichtet.
Bei Bestrahlung geben die Farbstoffmoleküle Elektronen an den Halbleiter
ab und nehmen gleichzeitig von den Iodid-Ionen Elektronen auf. Die Iodid-Ionen
werden dadurch zu neutralen Iodatomen, welche sich paarweise zu Iodmolekülen
zusammenschließen. Im nächsten Schritt diffundieren die Elektronen
durch den Halbleiter zur transparenten Elektrode und gelangen über
diese Elektrode zum äußeren Schließungsdraht zur Gegenelektrode.
Dort reduzieren sie Iodmoleküle zu Iodidionen, welche in Schritt
1 wieder oxidiert werden.
Tributsch äußert sich kritisch: "Die Grätzelzelle
ist ein interessantes System, aber es gibt grundlegende Probleme. Dazu
gehören, die Flüssigzelle dicht zu bekommen, die Zusammensetzung
des Elektrolyten und der Farbstoff selbst". Firmen wie der Schweizer Uhrenhersteller
Swatch-Company haben sich mittlerweile aus dem Projekt zurückgezogen.
Nicht zurückgezogen hat sich der Schweizer Familienbetrieb "Kurth
Glas und Spiegel AG". Die Euphorie des findigen Unternehmers Martin Kurth
scheint jedoch verflogen: "Wann die Grätzelzelle in Produktion geht,
das steht in den Sternen".
Im Wissenschaftspark Gelsenkirchen wurde 1993 das Institut für
Angewandte Photovoltaik, kurz INAP, gegründet. Das Institut hat sich
zum Ziel gesetzt die Farbstoffzelle zur Industriereife zu bringen. Dr.
Klaus-Peter Hanke vom INAP ist überzeugt, dass es die Grätzelzelle
in absehbarer Zeit geben wird. Auch sieht er das Farbstoffproblem als
untergeordnetes: "Wir haben drei Zellen seit zwei Jahren auf dem Dach
und stellen fest, dass sich der Farbstoff regeneriert. Warum das so ist
verstehen wir noch nicht". Süffisant merkt er an "Das Kunststück
besteht nicht darin, die Spannung zu erzeugen, sondern den Strom aus der
Zelle rauszukriegen. Die große Stärke der neuen Photozelle
ist ihr Funktionieren im Schwachlicht-Bereich." Dies könnte den geringeren
Wirkungsgrad von 6 bis 10 Prozent gegenüber den Silizium-Zellen wettmachen.
Die Forschergemeinde ist sich also uneins. Festzustehen scheint jedoch,
dass Mutter Natur sich nicht so leicht auf die Finger schauen läßt.
Sie hat ja auch einiges an Vorsprung.
pen
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