Solarzellen nach dem Vorbild der Natur

Farbstoff, der Sonnenlicht in Energie verwandelt

Grundsätzlich funktionieren alle Solarzellen nach einem ähnlichen Prinzip. Sie nutzen Sonnenlicht, um elektrische Energie zu erzeugen: Aus Strahlung wird Strom. Konventionelle Solarzellen basieren auf Silizium, einem anorganischen Halbleitermaterial, das aus Quarzsand gewonnen wird. Grätzelzellen dagegen kommen ohne Silizium aus. Bei ihnen sammeln organische Farbstoffmoleküle das Licht und leiten die Energie an Nanokristalle weiter, wodurch elektrischer Strom entsteht. Ihr Vorbild sind Pflanzen, bei denen grüne Chlorophyll- Farbstoffe die Sonnenstrahlung absorbieren. Das ist der Prozess der Photosynthese: Sonnenenergie wird in Sauerstoff und in Zucker umgewandelt und damit gespeichert. 

«Die Photosynthese hat mich schon als Student fasziniert », sagt Grätzel. «Dieses Interesse wurde in den 1970er-Jahren während der erste Ölkrise besonders relevant, als wir nur eingeschränkt mit dem Auto fahren und tanken durften. Damals habe ich zum ersten Mal über die Endlichkeit unserer Ölreserven und die Frage nachgedacht, wie wir sie in Zukunft ersetzen könnten. Die Antwort lag nahe: Warum nicht die Natur als Vorbild bei der Energieproduktion nehmen?» 

Gesagt, getan. Zwar wollten sich auch andere Forscher von der Photosynthese inspirieren lassen. Grätzel aber gelang der Durchbruch, weil er mit seinem Kollegen Brian Regan erstmals Nanopartikel aus Titandioxid mit Farbstoff überzog. Ein innovativer Ansatz, der sich unerwartet überzeugend bewährte. «Schon der erste Versuch war aufregend, weil der Effekt, den wir erzielten, viele tausend Mal höher war als erwartet», sagt Grätzel. «Unsere Arbeit war eigentlich reine Grundlagenforschung, und auch die Solarforschung selbst steckte noch in den Kinderschuhen. Aber wir konnten daraus ein Konzept für neuartige Solarzellen ableiten.» Eine Revolution in der Photovoltaik und die Geburtsstunde der Graetzelzelle, die der Erfinder 1992 patentieren liess – und die mittlerweile in industriellem Massstab produziert wird. 

Ihre Produktion ist vergleichsweise einfach, ressourcenschonend und günstig. Der farbstoffhaltige Titanoxidfilm wird auf leitfähige Glasplatten aufgetragen. Der erneuerbare Strom, der hier entsteht, kann dann unmittelbar an ein Gerät oder zu einem Speicher transferiert werden. Die Paneele sind transparent und – im grossen Unterschied zu Siliziumzellen – auch ohne direkte Sonneneinstrahlung bei diffusem Tageslicht sehr effizient. «Selbst unter widrigen Lichtbedingungen erreichen sie einen Wirkungsgrad von bis zu 30 Prozent und sind unter diesen Umständen besser als Siliziumzellen», betont Grätzel. 

Die Farbstoffzellen haben bereits Märkte gefunden, auf denen sie konkurrenzfähig sind. Etwa als Bestandteil teils grossflächiger Glasfassaden sowie in Gewächshäusern und Oberlichtern. Kleine und flexiblere Varianten eignen sich für mobile Produkte wie Kopfhörer und E-Reader. Aber auch Sensoren können so ohne direkten Anschluss ans Stromnetz versorgt werden. All diese Anwendungen waren bislang aber keine direkte Konkurrenz zu Siliziumzellen, eher eine Ergänzung.

Neue Zellen mit rekordverdächtigem Wirkungsgrad

Doch die Forschung bleibt nicht stehen, sondern macht vor allem in Hinsicht auf eine Neuerung rasante Fortschritte: Auf Grundlage der ursprünglichen Farbstoffzellen entwickelte Grätzel die metallorganische Perowskitzelle, die effizienter als die Siliziumzelle sein könnte. «Ich sehe die beiden Modelle in der Zukunft als Tandem oder die Perowskitzelle sogar als direkte Konkurrenz», sagt Grätzel. Ein Ziel, dem er mit einer aktuellen Publikation einen Schritt näher gekommen sein könnte. Zusammen mit einem Kollegen enthüllte er ein neues Design, das Perowskitzellen einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad von mehr als 25 Prozent bei bislang unerreichter Stabilität und damit besonders langer Lebensdauer beschert. Die Forscher hoffen, dass dieser Ansatz die Kommerzialisierung der Perowskitzellen erlaubt, geeignet möglicherweise auch für Batterien und die Produktion von Wasserstoff. Wie es scheint, ist dem Einsatz solcher Hochleistungssolarzellen kaum eine Grenze gesetzt, wobei ein Produkt den Erfinder persönlich besonders freuen dürfte: ein Fahrradhelm mit Lichteffekt für mehr Sichtbarkeit. «Ich selbst fahre jeden Tag und bei jedem Wetter am Genfersee entlang nach Lausanne», erzählt Grätzel. «Ich kann ja kaum im Porsche vorfahren und dann vom ökologischen Bewusstsein predigen.»

Deklaration: Dieser Inhalt wurde vom Sustainable Switzerland Editorial Team im Auftrag von EPFL erstellt.