Wie funktioniert eine Solarzelle

Der photoelektrochemische Effekt ist ein Konzept aus der Physik und beschreibt die Anregung eines Moleküls durch elektromagnetische Strahlung, zum Beispiel sichtbares Licht. Anwendung findet dieses Phänomen in der Natur als grundlegender Bestandteil der Photosynthese. Der photoelektrochemische Effekt lässt sich aber auch im Bereich der Solarenergie nutzen, zum Beispiel bei der Farbstoff-Solarzelle (Grätzel-Zelle) und der photokatalytischen Wasserspaltung.

Photosynthese

Pflanzen, Algen und sogar einige Bakterien brauchen den photoelektrochemischen Effekt für die Photosynthese zur Erzeugung von Nahrung. Ausgangspunkt ist der Pflanzenfarbstoff Chlorophyll, welcher Licht von geeigneter Wellenlänge absorbieren kann. Durch die so aufgenommene Energie wird das Molekül in einen angeregten Zustand versetzt, wodurch es ein energiereiches Elektron an seine Umgebung abgegeben kann. Dieses Elektron ist Bestandteil einer Reihe komplexer chemischer Reaktionen, mit dem Ziel aus Wasser und CO2 energiereichere Verbindungen wie Zucker und andere Kohlenhydrate zu erzeugen.

Der photochemische Effekt wird also von den Pflanzen und Algen genutzt um elektromagnetische Energie in Form von Licht in chemische Energie in Form von Zucker und Kohlenhydrate umzuwandeln. Es ist daher nicht übertrieben zu sagen, dass der photochemische Effekt das Leben auf der Erde wie wir es kennen erst möglich macht.

Farbstoff-Solarzelle (Grätzel-Zelle)

Farbstoff-Solarzellen, im deutschen Sprachraum nach ihren Erfinder Michael Grätzel auch Grätzel-Zelle genannt, ist eine weitere Anwendung des photoelektrochemischen Effekts. Im Unterschied zu herkömmlichen Halbleiter-Solarzellen wird das Licht in der Grätzel-Zelle nicht von einem Halbleiter, sondern von einem organischen Farbstoff absorbiert. Das Prinzip entspricht vereinfacht gesprochen einer technischen Photosynthese.

Der Vorteil von Farbstoff-Solarzellen liegt im niedrigen Herstellungsaufwand. Das Prinzip der Grätzel-Zelle lässt sich zu Hause von interessierten Bastlern mit einfach zugänglichen Materialen nachbauen. Ebenfalls von Interesse ist der im Vergleich zu herkömmlichen Photovoltaikzellen gute Wirkungsgrad bei diffusen Lichtverhältnissen, etwa bei starker Bewölkung oder Schattenbildung.

Noch hat die Farbstoff-Solarzelle jedoch aufgrund der geringen Lichteffizienz keine wirtschaftliche Bedeutung. Kommerziell erhältliche Modelle verfügen selbst unter optimalen Bedingungen lediglich über einen Wirkungsgrad von 2 bis 3 Prozent der einfallenden Lichtenergie im Vergleich zu 15 bis 20 Prozent von herkömmlichen Photovoltaikzellen. Ein weiteres Problem ist die fehlende Beständigkeit. Die Farbstoff-Solarzelle verliert schnell an Leistung und ist empfindlich gegenüber hohen Temperaturen.

An diesen Problemen wird zurzeit intensiv in Jülich (Jülicher Forschungszentrum) geforscht, insbesondere hofft man durch verbesserte Fertigungsmethoden die Lebensdauer drastisch erhöhen zu können. Der Erfinder Michael Grätzel ist zuversichtlich das der Wirkungsgrad auf bis zu 30 % gesteigert werden kann. Dennoch dürfte es noch einige Jahre dauern, bis die Farbstoff-Solarzelle direkt mit herkömmlichen Solarmodulen in Konkurrenz treten kann. Sollten die Probleme jedoch gelöst werden können, wären diese billigen und einfach zu fertigenden Solarzellen eine ernste Alternativlösung.

Photokatalytische Wasserspaltung

Eine weitere interessante Einsatzmöglichkeit des photoelektrochemischen Effekts ist die direkte Synthese von Wasserstoff aus Wasser mit Hilfe von Sonnenlicht. Das Prinzip wurde von Akira Fujishima und Kenichi Honda bereits im Jahre 1972 entdeckt. Wie bei der Photosynthese wird dabei die elektromagnetische Energie des Lichts in chemische Energie umgesetzt. Mit dieser Energie lässt sich Wasser in einem katalytischen Prozess in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten.

Noch ist die photokatalytische Spaltung des Wassers Zukunftsmusik. Die bisherigen Systeme sind zu wenig effizient und zu teuer um wirtschaftlich sinnvoll betrieben werden zu können. So liegt der Wirkungsgrad selbst unter optimalen Laborbedingungen bei lediglich fünf Prozent der einfallenden Lichtenergie. Erst ab einem Wirkungsgrad von 10 % könnte die photokatalytische Wasserspaltung mit der solaren Elektrolyse ernsthaft konkurrieren. Es gibt jedoch laufend neue Erfolgsmeldungen aus der Grundlagenforschung, welche für die Zukunft Mut machen. Optimistische Schätzungen gehen davon aus in den nächsten zehn Jahren den Wirkungsgrad auf bis zu 20 % steigern zu können. Ob dieses Ziel erreicht wird bleibt abzuwarten.