Chlorophyll
Lexikon der Photovoltaik-Begriffe
Chlorophyll als Energie-absorbierender Farbstoff spielt in der Photovoltaik derzeit nur eine untergeordnete Rolle. In der Biologie ist Chlorophyll der Träger der Photosynthese: Es wandelt Licht in elektrische Energie um, die von der Pflanze anschließend chemisch gespeichert wird. Da der Grundstoff der Solarzelle, das Silizium, durch seinen aufwändigen Reinigungsprozess verteuert wird (vgl. Silizium), wird in der Solarforschung stetig nach Ersatzprodukten gesucht. Lange Zeit galt dabei die “Biozelle” – eine Solarzelle, deren elektrische Energie auf Basis von Chlorophyll erzeugt wird – als Hoffnungsträger.
Chlorophyll in der Grätzelzelle
Da das Chlorophyll nur über eine geringe Haltbarkeit verfügt, wird versucht, den Prozess der Erzeugung elektrischer Energie durch Chlorophyll mithilfe von modifizierten Farbstoffen nachzubilden. Der bekannteste dieser Versuche ist die Grätzelzelle, benannt nach dem schweizer Solarforscher Michael Grätzel von der Universität Lausanne, der 1991 einen einschlägigen Artikel zum Thema unter dem Titel “All Surface and no Bulk” in der führenden Zeitschrift “Nature” veröffentlichte (Nr. 349, 28. Feb. 1991), in dem er der Solarzelle auf Basis von Chlorophyll-Ersatz-Farbstoffen niedrige Herstellungskosten und hohe Langlebigkeit prophezeite, verbunden mit der Erwartung erster Prototypen für die Mitte der 90er Jahre. 1992 ließ Grätzel seinen Entwurf patentieren.
In der Grätzelzelle -
- wird der Untergrund Titandioxid in einer Dicke von nicht mehr als einem Molekül auf einen Glasuntergrund aufgetragen,
- der transparente Elektroden aus Fluor-dotiertem Zinndioxid enthält – die sogenannte “Arbeitselektrode” und die “Gegenelektrode”.
- Angereichert wird der Untergrund mit einem, das Chlorophyll ersetzenden Farbstoff.
- Darüber wird eine Iodid-Schicht zugegeben, die fähig ist, Elektronen abzugeben.
- Eine mit dem Katalysator Graphit (oder wahlweise Platinum) beschichtete Glasplatte dient zur Abdeckung.
Der Farbstoff fängt die Solarenergie auf, – die entstehende elektrische Spannung wird durch die Elektroden abgeleitet; währenddessen liefert die Iodid-Schicht Elektronen zu, die durch das Titandioxid diffundieren und von den Elektroden aufgenommen werden. Der Stromkreis wird durch die Gegenelektrode geschlossen, welche der Iodid-Schicht wiederum Elektronen zurückgibt und die Ausgangssituation dadurch wieder herstellt. (Vgl. Artikel Kopieren schwer gemacht über die Grätzelzelle in “Energieperspektiven” 1,2001 / Max-Planck-Institut).
Durch diesen Ablauf wird die Photosynthese technisch nachgestellt – zur Serienreife hat es die Technologie allerdings trotz über zwanzigjähriger intensiver Forschung noch nicht gebracht. Neben der geringeren Haltbarkeit sprechen auch die geringen Wirkungsgrade der Farbstoff-Zelle gegen ihre Produktion in Großserie: Kommerzielle Farbstoff-Zellen-Module weisen derzeit einen Wirkungsgrad von nicht mehr als 2% bis 3% auf.
Chlorophyll und Chlorophyll-Ersatz-Farbstoffe können in der technischen Anwendung mit der natürlichen Photosynthese nicht standhalten: Deren Brutto-Wirkungsgrad liegt bei rund 20%.
Demgegenüber stehen die im Vergleich zur Silizium-Zelle geringeren Produktionskosten und eine geringere Belastung der Umwelt.
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