Farbstoffsensibilisierte Solarzellen. Eine bionische Umsetzung der Photosynthese

Inhaltsverzeichnis

1. Die Photovoltaik als Teilbereich des Energy Harvestings

2. Grundlagen der Photovoltaik
2.1 Einsatz von Halbleitern
2.2 Bändermodell

3. Aufbau und Funktionsweise farbstoffsensibilisierter Solarzellen

4. Bionische Grundlage und Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Solarzellen
4.1 Verfahrensbionik
4.2 Photosynthese
4.2.1 Überblick über den Ablauf der lichtabhängigen Reaktion der Photosynthese
4.2.2 Übertragung der Prinzipien der Photosynthese auf farbstoffsensibilisierte Solarzellen
4.3 Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Zellen

5. Farbstoffsensibilisierte Solarzellen im Vergleich zu Solarzellen auf Silicium-Basis

6. Ausblick in die Zukunft

7. Anhang

8. Abkürzungsverzeichnis

9. Quellenverzeichnis
9.1 Literaturquellen
9.2 Internetquellen
9.3 Sonstige Quellen

1. Die Photovoltaik als Teilbereich des Energy Harvestings

Gehwege in Toulouse und Tokio, die Strom erzeugen, Discobesucher, welche die LED-Lichtanlage mit Strom versorgen und batterielose Funksensoren. Dies sind drei Beispiele moderner Anwendungen des Energy Harvestings. Energy Harvesting, wörtlich das Ernten von Energie, beschreibt die Gewinnung von kleinen Energieerträgen aus der potenziellen Energie der Umgebung eines Geräts - meist zum Betrieb des Geräts selbst. Dazu gehören neben den Methoden, die aus der Erschütterung des Bodens und durch den Druck auf den Funktaster Energie gewinnen, auch Methoden, mit denen Vibrationen, Temperaturunterschiede und Umgebungslicht ausgenutzt werden.

Neben den oben genannten, moderneren Beispielen ist also auch die Photovoltaik, die Energieversorgung mithilfe der Sonnenenergie, ein Teilbereich des Energy Harvestings. Solarzellen sind oft sehr präsent und werden auch in Zukunft, durch den fortschreitenden Einsatz regenerativer Energiequellen, immer mehr zum Einsatz kommen,

Photovoltaikanlagen basieren momentan meist auf Siliciumsolarzellen (Si-Zellen). Diese Arbeit soll jedoch eine Solarzelle vorstellen, die wie ihr natürliches Vorbild, die Photosynthese, auch mit natürlichen Farbstoffen Strom erzeugt. Diese sogenannten farbstoffsensibilisierten Solarzellen wurden von dem Chemiker Prof. Dr. Michael Grätzel, welcher gegenwärtig als Leiter des „Laboratory of photonics and interfaces“ an der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne arbeitet^[1], Anfang der 90er Jahre erfunden und 1992 patentiert^[2]. Nach ihrem Erfinder werden die Solarzellen auch „Grätzelzellen“ genannt. In der Publizistik findet man auch die Synonyme „Farbstoffsolarzellen“ und „DSSC“, „DSC“, „DYSC“ als Abkürzungen für den englischen Ausdruck „dye-sensitized-solar cells“. In der vorliegenden Arbeit wird die Abkürzung FSZ für Farbstoffsolarzellen verwendet.

Wie FSZ aufgebaut sind und funktionieren, wie die Photosynthese, das bionische Vorbild, abläuft und wie die Übertragung zu charakterisieren ist, welche Vor- und Nachteile diese Zellen im Vergleich zur konventionellen Siliciumtechnik haben und wie die zukünftige Entwicklung aussehen könnte, soll diese Seminararbeit zeigen.

Zum besseren Verständnis führt das folgende Kapitel in die physikalischen Grundlagen der Photovoltaik ein.

2. Grundlagen der Photovoltaik

2.1 Einsatz von Halbleitern

In Solarzellen kommen Halbleiter wie Silicium und Cadmium‑Tellurid zum Einsatz. Halbleiter eignen sich aus zwei Gründen für die Verwendung in der Photovoltaik: Zum einen beobachtet man, dass sich unter Lichteinfall frei bewegliche Ladungsträger bilden, was als innerer Photoeffekt bezeichnet wird. Zum anderen ist eine Dotierung, eine gezielte Verunreinigung, möglich. So kann durch den Einbau von Fremdatomen die Leitfähigkeit des Halbleiterkristalls erhöht werden. Diese beiden Effekte tragen dazu bei, dass Lichtenergie in elektrische Energie, den gerichteten Transport von Ladungen, umgewandelt werden kann.^[3]

2.2 Bändermodell

Um die Effekte in einem Halbleiter nachvollziehen zu können, betrachten wir das Bändermodell. Dazu gehen wir zuerst von einem Atom nach der Bohrschen Atomvorstellung aus. Der Atomkern setzt sich aus ungeladenen Neutronen und positiv geladenen Protonen zusammen. Die Elektronen bewegen sich auf festen Bahnen, „Schalen“ genannt, um den Kern. Nach außen ist das Atom neutral, da sich die Partialladungen der Protonen und Elektronen ausgleichen. Die Schalen besitzen unterschiedliche Energieniveaus. So ist es Elektronen möglich bei Energiezufuhr in eine höhere Schale zu wechseln und unter Abgabe von Energie in Form eines Lichtquants zurückzukehren. Diese Vorgänge werden Absorption und Emission genannt und sind in Abb. 01 ersichtlich. Es gibt also innerhalb eines Atoms „definierte, diskrete Energieniveaus“^[4].

Betrachtet man mithilfe von Abb. 02 was passiert, wenn mehrere Atome sich in räumlicher Nähe befinden, fällt auf, dass es „zu einer wechselseitigen Kopplung der Atome untereinander“^[5] kommt. In einem Halbleiterkristall befinden sich sehr viele Atome, genauer gesagt deren Elektronenschalen, in gegenseitiger Kopplung. Da einzelne Niveaus praktisch nicht mehr zu erkennen sind, spricht man hier von Energiebändern. Das höchste noch mit Elektronen besetzte Band wird Valenzband genannt, da die dort enthaltenen Valenzelektronen am leichtersten, das heißt mit geringstem Energieaufwand, gelöst werden können und so ins Leitungsband, dem ersten unbesetzten Band, kommen können (vgl. Abb. 03). Die Anregungsenergie muss dazu größer als die energetische Lücke zwischen Valenz- und Leitungsband, der Verbotenen Zone, sein. Elektronen im Leitungsband erhöhen die Leitfähigkeit des Kristalls.^[6]

3. Aufbau und Funktionsweise farbstoffsensibilisierter Solarzellen

FSZ bestehen aus zwei einseitig leitenden Glasscheiben bzw. Kunststoffen, welche Anode und Kathode darstellen. Auf die Anode ist ein Halbleiter mit großer Bandlücke aufgetragen, welcher mithilfe eines Farbstoffes für bestimmte Spektralbereiche sensibilisiert ist. An der Kathode befindet sich als katalytisch wirksamer Stoff eine Schicht aus Grafit oder Platin. Zwischen Anode und Kathode samt aufgetragenen Schichten befindet sich ein Elektrolyt. Dieser Aufbau ist auch in Abb. 04 dargestellt.

In FSZ stellt eine 10 µm dicke, optisch transparente Schicht aus Titandioxid-Nanopartikeln den Halbleiter dar. Ein solcher Halbleiter mit großer Bandlücke wird deshalb verwendet, weil Halbleiter mit geringerer Bandlücke zwar selbst photoelektrisch angeregt werden können, aber „bei der Verwendung von Elektrolyten photokorrosiv zersetzt“ ^[7] werden. Durch das Auftragen des TiO2 als Titandioxid-Nanopartikel-Suspension wird erreicht, dass die Halbleiterschicht nach dem Sintern, dem Erhitzen auf 450°C, einen hohen Rauheitsfaktor hat. Dieser sollte „grösser [sic!] als 20, vorzugsweise grösser [sic!] als 200“^[8] sein, um nach dem Prinzip der Oberflächenvergrößerung mehr Farbstoffe einlagern zu können. Das Sintern verbindet die Partikel auch elektronisch. Diese Halbleiterschicht ist durch eine Einzelschicht aus Farbstoffmolekülen für den Spektralbereich des Farbstoffes sensibilisiert. Die Farbstoffe sind „chemisch an- oder eingelagert (chemosorbiert)“ ^[9].

Vom Licht angeregte Farbstoffmoleküle setzen Elektronen frei, die an der Halbleiter-Farbstoffgrenzschicht in das Leitungsband des Halbleiters injiziert werden. Als Farbstoffe haben sich in der industriellen Fertigung Farbstoffe auf der Basis von Ruthenium vor allem wegen ihrer hohen Langzeitstabilität durchgesetzt.^[10] Übergangsmetall-Komplexe wie der Rutheniumfarbstoff N-719 (auch N-3 genannt) erlauben durch ihr breites Absorptionsspektrum die Absorption eines großen Teils des Sonnenlichts, wie in Abb. 05 zu erkennen ist.^[11] Die Sensibilisierung kann jedoch auch mit Pflanzenfarbstoffen wie Anthocyanen^[12] und photosynthetisch aktiven Farbstoffen wie Chlorophyll^[13] erfolgen.

Die im Folgenden beschriebenen Effekte und Anregungswege sind in der Abb. 06 zu erkennen. Bei der Anregung des Farbstoffes wird ein Elektron des Farbstoffes in das Leitungsband des Halbleiters TiO2 injiziert. Die „Elektronenlücke“ am Farbstoff wird durch ein Elektron des Redoxelektrolytsystems gefüllt. Der Elektrolyt kann eine Iod-Kaliumiodid-Lösung sein. Da flüssige Elektrolyte jedoch „die Elektroden korrodieren, [] photoreaktiv [sind], [] auslaufen [können], und [] einen komplizierten chemischen Aufbau [haben]“^[14], versucht man diese durch feste Elektrolyte wie z.B. Cäsiumzinnjodid zu ersetzen.

Der oxidierte Farbstoff (S+) nimmt Elektronen des Iod-Anions auf und wird dadurch „regeneriert“ (S). Der Redoxelektrolyt regeneriert sich durch die fließenden Elektronen an der Kathode (). Außerdem ist zu erkennen, dass die Spannung Δ V, welche die Zelle liefert, sich aus der Differenz zwischen dem Energieniveau des Leitungsbandes des Halbleiters und dem elektrochemischen Potenzial des Elektrolyten ergibt.

4. Bionische Grundlage und Anwendungsbereiche farbstoffsensibilisierter Solarzellen

4.1 Verfahrensbionik

Obwohl der Begriff „Bionik“ gerne als Kofferwort aus Biologie und Technik gesehen wird, geht er wohl „auf das Wort «bionics» zurück, das der amerikanische Luftwaffenmajor John E. Steele Ende der 60er Jahre auf einem Kongress geprägt hat.“^[15]

„Bionik ist wie folgt definiert: Bionik verbindet in interdisziplinärer Zusammenarbeit Biologie und Technik mit dem Ziel, durch Abstraktion, Übertragung und Anwendung von Erkenntnissen, die an biologischen Vorbildern gewonnen werden, technische Fragestellungen zu lösen [...]. Biologische Vorbilder im Sinne dieser Definition sind biologische Prozesse, Materialien, Strukturen, Funktionen, Organismen und Erfolgsprinzipien sowie der Prozess der Evolution.“^[16]

Die vorliegende bionische Umsetzung der Photosynthese ist eine Anwendung der Verfahrensbionik, in der „nicht nur natürliche Konstruktionen“^[17] übertragen werden, „sondern [...] auch Verfahren, mit denen die Natur Vorgänge und Umsätze steuert.“^[18] Im Folgenden soll das der FSZ zugrunde liegende Prinzip der Photosynthese erläutert und die bionische Übertragung charakterisiert werden.

4.2 Photosynthese

Die Photosynthese ist einer der wichtigsten biologischen Prozesse. Der Aufbau energiereicher Stoffe aus energiearmen Ausgangstoffen mithilfe der von der Sonne zur Verfügung gestellten Lichtenergie stellt die Lebensgrundlage der Pflanzen und einiger Algen- und Bakteriengruppen, die sich photoautotroph versorgen, dar. Als Produzenten sind diese Photoautotrophen als Bau- und Energiestofflieferanten signifikant wichtig für die Erhaltung ganzer Ökosysteme. Die Entstehung von Sauerstoff und der Verbrauch des Kohlenstoffdioxids, die aus der Gesamtgleichung zu ersehen sind, zeigt auch die Relevanz für den Menschen als heterotrophen Organismus und seinen Bemühungen im Umweltschutz, insbesondere im Hinblick auf die Erhaltung der Wälder.

4.2.1 Überblick über den Ablauf der lichtabhängigen Reaktion der Photosynthese

Die Photosynthese lässt sich in einen lichtabhängigen und einen lichtunabhängigen Teil unterteilen. Die Gleichung des lichtabhängigen Prozesses lautet:

Um die Prozesse hinter dieser Gleichung genauer zu verstehen, ist das Zusammenspiel der in der Thylakoidmembran befindlichen Lichtsammelkomplexe, Photosysteme, Redoxsysteme, Membranproteine und Enzyme zu betrachten, welche in Abb. 07 verdeutlicht sind.

Vorrangig soll der lichtabhängige Teil der Photosynthese erläutert werden, jedoch soll an dieser Stelle auch kurz die Weiterverarbeitung der in der Lichtreaktion dargestellten Stoffe betrachtet werden, um so die Entstehung des Energiespeicherstoffes Glucose zu klären.

Um über eine größere Fläche Energie aufzufangen und diese an einem zentralen Punkt, dem Reaktionszentrum, zu nutzen, befinden sich in der Thylakoidmembran der grünen Pflanzen Lichtsammelkomplexe aus dem blaugrünen Chlorophyll a und weiteren akzessorischen Pigmenten (Chlorophyll b, β-Carotin, Xanthophylle)^[19]. Die eingesetzten Pigmente unterscheiden sich nach Art und Standort der Pflanze bzw. des Bakteriums stark. Sie stellen wohl den wichtigsten Faktor bei der Anpassung an unterschiedliche Spektren dar.^[20]

Trifft Licht, also elektromagnetische Energie, auf ein Molekül regt es dessen Elektronen an. In den häufigsten Fällen, also der Anregung einer lichtabsorbierenden Verbindung, kehrt das Elektron einfach wieder in den Grundzustand zurück und gibt die Anregungsenergie in Form von Wärme oder anderer Energiearten frei. Findet sich jedoch ein passender Elektronenakzeptor in der Nähe, kann das Elektron vom angeregten Molekül auf den Akzeptor übertragen werden. Das ursprünglich angeregte Molekül erhält eine positive Teilladung; der Akzeptor ist durch die Aufnahme der Elektronen negativ geladen. Diese photoinduzierte Ladungstrennung findet auch in den Lichtsammelkomplexen der Photosysteme (siehe auch Abb.07) statt und bewirkt, dass einfallende Lichtenergie durch die Anordnung der Moleküle in Richtung des Reaktionszentrums gebündelt weitergegeben wird.

Vom Photosystem II (PS II) werden zwei Elektronen nach einer derartigen Anregung des Chlorophyll-a-Moleküls P680, dem Reaktionszentrum, über mehrere Redoxsysteme, die zwischen den beiden Photosystemen PS II und PS I liegen, weitergegeben. Das durch die Weitergabe positiv geladene und dadurch zum starken Oxidationsmittel^[21] gewordene P680 erreicht seinen Grundzustand durch die Fotolyse des Wassers

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

. Dies ist eine Redoxreaktion in der Wasser aufgespalten wird und durch die die Elektronenlücke am P680 „gefüllt“ werden kann.

Eines der Redoxsysteme zwischen den beiden Photosystemen ist der Cytochrom‑b6f-Komplex. Dieser ist erwähnenswert, da er angetrieben von den zwei Elektronen, als Protonenpumpe fungiert, Wasserstoffkationen (H+) vom Stroma in das Lumen „pumpt“ und dadurch einen für die ATP-Synthase essenziellen Protonengradienten aufbaut.

Die Elektronen in der Elektronentransportkette, die vom PS II zum PS I führt, treten in das PS I ein. Hier führt wiederum die lichtinduzierte Anregung des Reaktionszentrums P700 zur Freisetzung zweier Elektronen. Diese werden auf das starke Reduktionsmittel Ferredoxin übertragen. Durch die Ferredoxin-NADP+-Reduktase wird die NADPH-Bildung katalysiert. Die Elektronenlücke wird hier von den Elektronen aus dem ersten Anregungsschritt im PS II gefüllt.

[...]

^[1] Vgl. EPFL (Hg.), Prof. Michael Graetzel LPI, in: http://lpi.epfl.ch/graetzel; Zugriff vom 23.10.14

^[2] Vgl. Grätzel, M., 1989. Photoelektrochemische Zelle, Verfahren zum Herstellen einer derartigen Zelle sowie Verwendung der Zelle, Europäisches Patentamt. EP 0333641 A1. 20.09.1989.

^[3] PVS Solarstrom (Hg.), Halbleiter – Definition und ihre Verwendung in Solarzellen, in: http://www.photovoltaiksolarstrom.de/photovoltaiklexikon/halbleiter; Zugriff vom 31.10.14

^[4] Mertens, K., Photovoltaik. Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis, o.O. 20132, S. 62.

^[5] Ebd.

^[6] Vgl. Mertens, S. 62ff.

^[7] Grätzel, M., Europäische Patentanmeldung; S. 2

^[8] Grätzel, M., Europäische Patentanmeldung; S. 1

^[9] Grätzel, M., Europäische Patentanmeldung; S. 2

^[10] Vgl. Dyesol (Hg.), N719 Industry Standard Dye, in: http://www.dyesol.com/products/dsc-materials/dyes/n719-industry-standard-dye.html; Zugriff vom 23.10.14

^[11] Vgl. Hunger, K., Industrial Dyes. Chemistry, Properties, Applications, Weinheim 2003, S. 573

^[12] Vgl. Jugend forscht (Hg.), Strom aus Tee, in: http://www.jugend-forscht.de/projektdatenbank/strom-aus-tee.html; Zugriff am 24.10.14

^[13] Vgl. Zhou, H., Dye-sensitized solar cells using 20 natural dyes as sensitizers, in: Journal of Photochemistry and Photobiology. A: Chemistry 219 (2011), S. 188–194

^[14] Vgl. Scharf, R., Effiziente Festkörper-Grätzelzelle, in: http://www.pro-physik.de/details/news/2059767/Effiziente_Festkoerper-Graetzelzelle.html; Zugriff vom 01.11.14

^[15] Nachtigall, W., Bionik. Lernen von der Natur, München 2008, S. 7

^[16] BIOKON Bionik-Kompetenznetz (Hg.), Faszination Bionik, in: http://www.biokon.de/bionik/was-ist-bionik; Zugriff vom 19. 07. 2014

^[17] Nachtigall, Lernen von der Natur, S. 37

^[18] Ebd.

^[19] Vgl. Scheer, H., Pigmente und Antennenkomplexe, in: D. Häder (Hg.), Photosynthese, Stuttgart 1999, S. 68

^[20] Vgl. Ebd.

^[21] Vgl. Heldt, W., Pflanzenbiochemie, Heidelberg 20033, S. 87