Grätzelzelle - elektrischer Strom aus Licht
Die Sonne ist für uns eine (beinahe) unerschöpfliche Energiequelle. Die Intensität der Sonnenstrahlung, welche die Erdoberfläche erreicht, beträgt 1000 W/m2. Das heisst, die Sonne liefert jeden Tag so viel Energie, wie in ca. 10% aller bekannten fossilen Energieträger steckt. Die Natur hat mit der Photosynthese eine Möglichkeit gefunden, diese Energie zu nutzen. Mit Hilfe des Sonnenlichts wird das energiearme NADP+ wieder in energiereiches NADPH umgewandelt. Dabei wird Licht vom Farbstoff Chlorophyll aufgenommen (absorbiert). Dadurch werden Elektronen des Farbstoffs angeregt (auf ein höheres Energieniveau gebracht). Entscheidend ist nun, dass diese Elektronen von einem Akzeptor abgefangen werden, bevor sie ihre Energie wieder abgeben, in Form von Wärme an die Umgebung.
Prof. Michael Grätzel (EPFL) entwickelte die sogenannte Grätzelzelle im Jahr 1991. Sie wird als Farbstoff-sensibilisierte Solarzelle bezeichnet und basiert auf den gleichen Prinzipien wie die Photosynthese. Auch hier absorbieren Farbstoffmoleküle Licht mit Wellenlängen zwischen 400 und 800 nm. Eine Titandioxid-Schicht übernimmt die Rolle des Akzeptors, welcher die angeregten Elektronen rasch übernimmt.
Weshalb heisst die Zelle Farbstoff-sensibilisiert (dye-sensitized solar cell, DSSC)? Im Halbleiter Titandioxid vermögen nur sehr energiereiche Lichtquanten (UV-Strahlen) Elektronen aus dem Valenzband ins Leitungsband anzuregen. Farbstoffe absorbieren aber bereits im sichtbaren Bereich des Sonnenspektrums. Als Photosensibilisator überträgt das angeregte Farbstoffmolekül energiereiche Elektronen auf die Titandioxidschicht, welche diese dann an den elektrischen Leiter abgeben kann. Der Farbstoff wirkt also als eine Art „Anregungs-Katalysator“.
Anstelle von Wasser als Reduktionsmittel in der Photosynthese fungiert hier ein Iodid-Ion. Es entsteht dabei das Oxidationsmittel Triiodid-Ion-, welches an der Gegenelektrode wieder zum Iodid-Ion reduziert wird. Treffend fasst Grätzel zusammen: „Like the coupled processes of photosynthesis and respiration found in the biosphere, the light-driven electrochemical process in the nanocrystalline solar cell is regenerative und forms a closed cycle that converts light into useful forms.”1
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