Solarenergie: Nano-Photovoltaik nach Pflanzenart

Neidvoll beobachtet so mancher Solartechnikexperte die grünen Pflanzen, die seit Jahrmillionen mit der Photosynthese in ihrem Blattgrün die Energie des Sonnenlichts in chemische Energie umwandeln. Ist der Wirkungsgrad der Pflanzen auch lange noch nicht erreicht, gibt es doch schon Verfahren, die in Form einer „künstlichen Photosynthese“ diesen natürlichen Vorgang nachahmen.

Struktur eines Pflanzenblattes in Nahaufnahme
Die Photosynthese in grünen Blättern: Vorbild für organische Solarzellen. (Foto: Janine Blank/aboutpixel.com)

Mit einer so genannte Farbstoffsolarzelle, die von Michael Grätzel an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne in der Schweiz Anfang der 1990er-Jahre entwickelt wurde, ist künstliche Photosynthese möglich. Die Grätzel-Zelle, nach ihrem Erfinder benannt, beruht nicht wie herkömmliche Solarzellen auf Silizium. 

Herkömmliche Solarzellen beruhen hauptsächlich auf Silizium. Nicht so die Grätzel-Zelle: Sie besteht aus zwei flachen transparenten Elektroden, die im Durchschnitt 0,02 bis 0,04 mm auseinander liegen. Die Elektroden sind auf der Innenseite mit einer transparenten, elektrisch leitfähigen Substanz (beispielsweise auf Basis von Indium-Zinnoxid) beschichtet.

Dank Nanotechnologie: Strom aus Pflanzenstoffen gewinnen

Auf der Anode befindet sich eine Schicht aus Titandioxid-Nanoteilchen, deren Oberfläche eine Lage aus organischem, lichtempfindlichem Farbstoff trägt: hervorragend geeignet sind hierfür Blattfarbstoffe aus der Gruppe der Anthocyane.

Die Innenseite der Kathode trägt eine katalytische Schicht, meistens besteht diese aus Graphit oder Platin. Der Raum zwischen den beiden Elektroden ist mit einer Elektronen-leitenden Flüssigkeit (Elektrolyt) gefüllt, etwa mit Iod-Kaliumiodid-Lösung.

schematische Darstellung der Funktionsweise der Grätzelzelle
So funktioniert eine Grätzelzelle. Grafik: FLAD & FLAD Communication GmbH

Trifft ein Lichtteilchen auf den organischen Farbstoff, gibt er ein ElektronElektron
Negativ geladenes Elementarteilchen. Elektronen bilden die Hülle der Atome. Der Name kommt vom griechischen Wort Elektron und bedeutet Bernstein (an welchem Elektrizität erstmals beobachtet wurde).
an das Titandioxid ab. Dieses gibt dann den kleinen Ladungsträger an die Anode und von dort an den „Verbraucher“ ab.

Das fehlende ElektronElektron
Negativ geladenes Elementarteilchen. Elektronen bilden die Hülle der Atome. Der Name kommt vom griechischen Wort Elektron und bedeutet Bernstein (an welchem Elektrizität erstmals beobachtet wurde).
am Farbstoff muss nun ersetzt werden. Es wird den Iodid-IonenIodid-Ionen
Bei Ionen handelt es sich um Atome, die durch fehlende oder zusätzliche Elektronen eine elektrisch positive oder negative Ladung besitzen. Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion; ein Anion dagegen negativ geladen.
durch die katalytische Schicht entrissen, worauf negativ geladenes Iodid in neutrales Iod umgewandelt wird. Aus dem Stromkreislauf wird über die Kathode das fehlende ElektronElektron
Negativ geladenes Elementarteilchen. Elektronen bilden die Hülle der Atome. Der Name kommt vom griechischen Wort Elektron und bedeutet Bernstein (an welchem Elektrizität erstmals beobachtet wurde).
wieder in die Grätzelzelle zurückgeführt.

Die Forschungsarbeiten von Michael Grätzel, die bereits 1970 begannen, wurden in zweierlei Hinsicht von Erfolg gekrönt. Seit 2009 befindet sich die „Grätzel-Zelle“ in der Massenproduktion und ihr Erfinder erhielt 2010 den renommierten MILLENIUM TECHNOLOGY PRIZE der finnischen Technologie-Akademie verliehen.

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