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Ultrafast Spectroscopies for Dye Sensitised Solar Cell study and Optimisation

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Solarzellenfunktion ultraschnell abbilden

Die Ausnutzung der Solarenergie hat sich zu einem der wirklich wichtigen Ziele der internationalen Gemeinschaft entwickelt. Hierbei bemüht man sich um eine Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, indem Investitionen in erneuerbare Energien ständig auf der Tagesordnung stehen. EU-finanzierte Forscher entwickelten Technologien, um mit deren Hilfe die Charakterisierung einer nächsten Generation von Solarzellen auf den Weg zu bringen.

Energie

Die meisten Photovoltaikanlagen, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln, basieren auf dem Fließen und der Trennung von freien Elektronen im Zusammenhang mit den pn-Übergängen der Halbleiter in den Modulen. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (Dye-sensitised solar cell, DSSC) andererseits funktionieren nach dem Prinzip des Elektronenflusses in einem System, das aus einer lichtsensibilisierten Titanoxidanode (TiO2, abgedeckt mit einem Sonnenlicht absorbierenden molekularen Farbstoff), einem flüssigen Elektrolyten und einer Platinkathode besteht. Die Farbstoffsolarzellen stellen durchaus eine technisch machbare und kostengünstige Alternative zu konventionellen Photovoltaikbauelementen dar. Noch mangelt es allerdings an einem klaren Verständnis ihrer Funktionsweise und ein besserer Wirkungsgrad wäre höchst wünschenswert. Die fotoelektrochemischen Besonderheiten der farbstoffsensibilisierten Solarzellen können mit ultraschnellen Spektroskopieverfahren untersucht werden. Die betrachteten Größenordnungen liegen dabei im schwer vorstellbaren Bereich der Femtosekunden (billiardstel Sekunden). Europäische Forscher starteten das ULTRADSSC-Projekt ("Ultrafast spectroscopies for dye sensitised solar cell study and optimisation"), um eine erste elektrooptische Charakterisierung der Farbstoffsolarzellen auf den Weg zu bringen. Die Wissenschaftler bewerteten verschiedene Verfahren zur Beschichtung mit TiO2 unter Berücksichtigung von dessen grundlegender Rolle bei Ladungstransportmechanismen. Zur Beurteilung der Struktur- und Oberflächeneigenschaften der TiO2-Schichten kam Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz. Überdies wurden zahlreiche andere Werkstoffe als Alternative zum teuren Platin getestet, mit denen die Funktion der Anode optimiert werden könnte. Die Forscher unterzogen im Folgenden die elektrooptischen Eigenschaften einer Bewertung, indem ein Prototyp unter Nutzung eines Sonnensimulators zum Einsatz kam. Insbesondere wurde festgestellt, dass der durch Laserlicht erzeugte Fotostrom mit dem Lichteinfallswinkel um bis zu 25% zunahm. Diese Erkenntnis könnte durchaus für neuartige Bauelemententwürfe von Nutzen sein. Die ULTRADSSC-Partner richteten außerdem ein Labor für Ultrakurzzeitspektroskopie ein, in dem an einer Femtosekunden-Laserquelle, einem bildgebenden Spektrometer und einer gekühlten CCD-Kamera (ladungsträgergekoppelte Schaltung) gearbeitet wird. Die experimentelle Forschung zum Thema Material in Kombination mit dem Ultrakurzzeitspektroskopie-Aufbau versetzte das ULTRADSSC-Forscherteam in die Lage, den Elektronentransfer von den Farbmolekülen auf die Oberfläche eines als Elektrode fungierenden Feststoffs genauer zu untersuchen. Besseres Wissen über die Mechanismen in den Farbstoffsolarzellen wird zur Entwicklung effizienterer, kostengünstigerer Solarzellen dieser Art beitragen, was bedeutende Auswirkungen auf den internationalen Solarenergiemarkt haben dürfte.

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