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«Grätzel»-Solarzellen erzielen einen neuen Rekord
Mesoskopische Farbstoffsolarzellen (Dye-Sensitized Solar Cells, DSC) wurden in den 1990er Jahren von Brian O'Regan und Michael Grätzel erfunden und nach letzterem benannt – die weltberühmten Grätzelzellen. DSCs wandeln Licht durch Photosensibilisatoren in Elektrizität um – Farbstoffverbindungen, die Licht absorbieren und Elektronen in eine Anordnung von Oxid-Nanokristallen injizieren, die dann als elektrischer Strom gesammelt werden.
Bei DSCs sind die Photosensibilisatoren an der Oberfläche nanokristalliner mesoporöser Titandioxidfilme angebracht («adsorbiert»), die mit redoxaktiven Elektrolyten oder einem festen Ladungstransportmaterial durchtränkt sind – das gesamte Design zielt darauf ab, elektrischen Strom zu erzeugen, indem Elektronen vom Photosensibilisator zu einem elektrischen Ausgang wie einem Gerät oder einer Speichereinheit bewegt werden.
DSCs sind transparent, können kostengünstig in verschiedenen Farben hergestellt werden und werden bereits in Dachfenstern, Gewächshäusern und Glasfassaden eingesetzt, wie sie beispielsweise das SwissTech Convention Center schmücken. Darüber hinaus werden leichte, flexible Versionen von DSCs jetzt in grossem Umfang für die Stromversorgung von tragbaren elektronischen Geräten, wie Kopfhörern und E-Readern sowie im Internet der Dinge, unter Nutzung des Umgebungslichts kommerziell verkauft.
Jüngste Fortschritte bei Photosensibilisatoren und anderen Komponenten von DSCs haben die Leistung von DSCs sowohl unter Sonnen- als auch unter Umgebungslichtbedingungen verbessert. Der Schlüssel zur Verbesserung der DSC-Effizienz liegt jedoch im Verständnis und in der Kontrolle der Anordnung von Farbstoffmolekülen auf der Oberfläche von Titandioxid-Nanopartikelfilmen, die die Erzeugung von elektrischer Ladung begünstigen.
Eine Methode ist die Kosensibilisierung, ein chemischer Herstellungsansatz, der DSCs mit zwei oder mehr verschiedenen Farbstoffen herstellt, die eine komplementäre optische Absorption aufweisen. Die Kosensibilisierung hat die Energieumwandlungseffizienz von DSCs in Richtung Weltrekordwerte gebracht, da es möglich ist, Farbstoffe zu kombinieren, die Licht aus dem gesamten Lichtspektrum absorbieren können. Allerdings hat sich die Kosensibilisierung in einigen Fällen auch als unwirksam erwiesen, da die Suche nach den richtigen Farbstoffpaaren, die eine hohe Lichtabsorption und Leistungsumwandlungseffizienz erzielen können, ein aufwändiges molekulares Design, Synthese und Screening erfordert.
Nun haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Gruppen von Grätzel und Anders Hagfeldt an der EPFL eine Möglichkeit entwickelt, die Verpackung von zwei neu entwickelten Photosensibilisator-Farbstoffmolekülen zu verbessern, um die photovoltaische Leistung des DSC zu steigern. Zusammen können die neuen Photosensibilisatoren Licht im gesamten sichtbaren Bereich quantitativ ernten. Bei der neuen Technik wird eine Monoschicht eines Hydroxamsäurederivats auf der Oberfläche von nanokristallinem mesoporösem Titandioxid voradsorbiert. Dies verlangsamt die Adsorption der beiden Sensibilisatoren und ermöglicht die Bildung einer gut geordneten und dicht gepackten Schicht des Sensibilisators auf der Titandioxidoberfläche .
Mit diesem Ansatz konnte das Team erstmals DSCs mit einem Wirkungsgrad von 15,2 % unter globalem simuliertem Sonnenlicht entwickeln, wobei die langfristige Betriebsstabilität über 500 Stunden getestet wurde. Durch die Vergrösserung der aktiven Fläche auf 2,8 cm2 konnte der Wirkungsgrad der Energieumwandlung auf 28,4 % bis 30,2 % über einen weiten Bereich von Umgebungslichtintensitäten gesteigert werden, bei gleichzeitig hervorragender Stabilität.
Die Autoren schreiben: «Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für einen einfachen Zugang zu Hochleistungs-DSCs und bieten vielversprechende Perspektiven für Anwendungen als Stromversorgungs- und Batterieersatz für elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch, die Umgebungslicht als Energiequelle nutzen.»