Elektronentransport in Farbstoffsolarzellen
Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC) beruhen auf der Abscheidung einer dünnen Schicht lichtempfindlichem Farbstoffs auf einem leitfähigen Substrat, wie etwa einer porösen Schicht aus Titanoxid-Nanopartikeln (TiO2). Farbstoffsensibilisierte Solarzellen stellen eine verlockend simple und kostengünstige Alternative zu den herkömmlichen Solarzellen mit p-n-Übergang dar, aber mit dem Wirkungsgrad zusammenhängende Probleme standen bisher einer breiten Anwendung im Wege. Mit EU-Finanzmitteln unterstützte Forscher haben im Rahmen des Projekts Nanosol ("From femto- to millisecond and from ensemble to single molecule photobehavior of some nanoconfined organic dyes for solar cells improvement") eine detaillierte Analyse der fotovoltaischen Eigenschaften drei neuartiger metallfreier organischer Farbstoffe durchgeführt. Sie untersuchten im Speziellen, wie sich die Farbstoffe in Lösung sowie auf neun verschiedenen titandotierten mesoporösen Materialien (mit einem Porendurchmesser von 2 bis 50 Nanometern) bei Vorhandensein und Abwesenheit von TiO2-Nanopartikeln verhalten. Untersuchungen der freien Farbstoffe in Lösung bewiesen die Bedeutung des Zustands des Ladungstransferkomplexes (der Verteilung der Ladung auf die Moleküle an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche) für das photoelektrische Verhalten der Farbstoffe und die Rolle des Lösungsmittels in Bezug auf den Wirkungsgrad. Weitere Experimente mit Farbstoffen unter Einsatz herkömmlicherweise verwendeter TiO2-Nanopartikel veranschaulichten die wichtige Elektronendynamik im Femtosekundenbereich - hierbei handelt es sich um ein Billiardstel einer Sekunde - und gaben Einblick in eine effiziente Ladungstrennung und Solarzellenleistung. Gleichermaßen untersucht wurden Titannanoröhren von eindimensionaler Struktur (1D). Nach Vergleichen mit TiO2-Nanopartikeln zeigte sich eine ähnliche Elektronendynamik. Außerdem wurden titandotierte mesoporöse Siliziumdioxidsiebe, eine weitere eindimensionale Klasse von Materialien, bewertet. Die im Material selbst beobachtete Elektronendynamik war recht vielversprechend; allerdings erwies sich letztlich der Wirkungsgrad der Solarzellen aufgrund der wenig effizienten Ladung der Farbstoffe und des eingeschränkten Elektronentransports als unbefriedigend. Den Nanosol-Forschern gelang die effektive Charakterisierung der Wechselwirkung titanbasierter Materialien mit einer wichtigen Klasse organischer Farbstoffe, die für farbstoffsensibilisierte Solarzelle relevant sind, mit dem Schwerpunkt des Solarzellenwirkungsgrads. Die Resultate werden sich im Sinne der zukünftigen Gestaltung effizienterer Farbstoffsolarzellen nutzen lassen und somit deren breite Anwendung fördern. Derartige Entwicklungen werden Kostenvorteile für Hersteller und Verbraucher nach sich ziehen und außerdem zu einer Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen beitragen.
