Wie Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen die Solarenergie revolutionieren könnten
Semitransparente Solarzellen bieten die Möglichkeit, die Energiegewinnung in die Oberflächen von Gebäuden und Fahrzeugen zu integrieren. Es gibt mehrere neue Technologien, die in den letzten Jahren entstanden sind. Ein Großteil davon besitzt jedoch einen festen Transparenzgrad und kann sich nicht an wechselnde Wetterbedingungen und Sonneneinstrahlung anpassen. Farbstoffsolarzellen (dye-sensitised solar cells, DSSC) sind eine vielversprechende, kosteneffiziente und selbstregulierende Lösung, mit der Europa seinen Solarenergieausbau voranbringen könnte. „Farbstoffsolarzellen können semitransparent sein und in einer breiten Palette von Farben hergestellt werden, was ihnen eine ästhetische Vielseitigkeit verleiht und sie besonders attraktiv für die gebäudeintegrierte Photovoltaik macht, so etwa für Fenster und Fassaden“, erklärt Renaud Demadrille(öffnet in neuem Fenster), Forschungs- und Teamleiter bei der Atomic and Alternative Energies Commission(öffnet in neuem Fenster) (CEA) in Frankreich. Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierten Projekts PISCO bauten Demadrille und sein Team auf einem früheren Vorschlag auf, Photochromie und Photovoltaik zu kombinieren. So schufen sie die erste effiziente semitransparente Solarzelle, die sich bei unterschiedlichen Licht- und Wetterverhältnissen optisch anpassen kann. Das Team von PISCO entwickelte dieses Konzept weiter und arbeitete an einer neuen Klasse von Solarzellen, die diese beiden Eigenschaften in sich vereinen. „Unsere Arbeitsergebnisse zeigten, dass die beiden scheinbar unvereinbaren Phänomene der Photochromie und der Photovoltaik in einem einzigen Gerät mit einem einzigen Molekültyp kombiniert werden können“, sagt Demadrille.
Selbstkalibrierende Farbstoffsolarzellen
Farbstoffsolarzellen sind relativ einfache Geräte, die aus einem geschichteten Halbleiter bestehen, der Farbstoffe adsorbieren und durch Sonneneinstrahlung erzeugte Elektronen zu einer Elektrode leiten kann. Der Farbstoff verstärkt die Empfindlichkeit gegenüber Sonnenlicht und überträgt Elektronen auf den Halbleiter. Die dritte Komponente, ein Elektrolyt, stellt den Farbstoff wieder her und schließt den Kreislauf. Das gesamte System ist zwischen zwei transparenten, leitenden Elektroden eingebettet. Dank PISCO entwickelte das Team diese Technologie mit dem Ziel, sie in Zukunft im großen Maßstab in Gebäuden, im Verkehrswesen und in der Agrophotovoltaik einzusetzen und dabei die Vorteile ihrer variablen und selbstadaptiven Transparenz zu nutzen. „Diese Zellen sind nachweislich in der Lage, ihre Lichtabsorption und Verdunkelung als Reaktion auf höhere Lichtintensitäten zu modulieren. Dadurch können sie die Stromerzeugung ohne Manipulation von außen steigern“, erklärt Demadrille.
Eine neue Klasse der Photovoltaik
Eines der wichtigsten Projektergebnisse ist die Entwicklung einer neuen Klasse von selbstkalibrierenden photovoltaischen Geräten. „Durch das Engineering der neuen photochromen Farbstoffe auf molekularer Ebene haben wir transparente Solarzellen geschaffen, die sich durch schnelle Färbungs- und Entfärbungsprozesse sowie einen hohen Farbwiedergabeindex auszeichnen“, fügt Demadrille hinzu. „So wird Nutzenden ein guter visueller Komfort geboten und gleichzeitig die Erzeugung von Strom ermöglicht.“ Darüber hinaus brachte die Arbeit das breitere Gebiet der DSSCs voran, einschließlich der Verwendung von Techniken des maschinellen Lernens zur Beschleunigung der Entwicklung neuer Elektrolyte für die Zellen. „Dieser Ansatz lässt sich auch auf andere Bereiche anwenden, beispielsweise auf Batterieelektrolyte“, bemerkt Demadrille.
Recycling zur Verbesserung der DSSC-Integration
In begrenztem Umfang werden DSSCs bereits in realen Umgebungen eingesetzt, zum Beispiel im SwissTech Convention Center(öffnet in neuem Fenster) an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Ihre Effizienz und Stabilität schränken jedoch ihre Einsatzmöglichkeiten ein. Auch die Herstellungskosten sind nach wie vor hoch, wobei Recycling dazu beitragen könnte, diese zu senken. „Im Rahmen von PISCO haben wir auch Recyclingmethoden für diese Zellen entwickelt. Die Ergebnisse sind vielversprechend, und wir werden sie voraussichtlich im Jahr 2026 vorstellen“, verkündet Demadrille. „Die Verwirklichung einer Recyclingstrategie wird dazu beitragen, sowohl die Kosten als auch den CO2-Fußabdruck dieser Technologie zu verringern.“
