Kobalt statt Iod macht Solarzellen umweltfreundlicher

  

(26.9.2013) Forschende der Universität Basel ist es gelungen, in Farbstoffsolarzellen auf Kupferbasis das seltene Iod (stan­dardsprachlich: Jod; siehe Wikipedia) durch das weitaus häu­figere Kobalt ersetzen. Damit gelingt ihnen ein Schritt in Rich­tung einer umweltfreundlichen Energiegewinnung. Die Fach­zeitschrift „Chemical Communications“ hat die Resultate zu den so genannten Cu-Co-Zellen veröffentlicht.

zur Erinnerung: Farbstoffsolarzellen oder DSC (Dye-sensi­tized Solar Cells) verwandelt Licht in Elektrizität. Sie bestehen aus einem Halbleiter, auf dem ein Farbstoff verankert ist. Die­ser fängt Sonnenlicht ein, und durch einen Elektronentransfer­prozess entsteht eine elektrische Spannung. Für den Ladungstransport innerhalb der Farbstoffsolarzelle sorgen Elektrolyte.

Als Elektrolyt wird üblicherweise Iod und Iodid verwendet. Chemikern der Universität Basel ist es nun gelungen, dieses iodbasierte Transportsystem in Kupfer-Farbstoffso­larzellen durch einen Kobalt-Komplex zu ersetzen. In Tests soll sich dadurch kein Ver­lust in der Leistung gezeigt haben.

Häufig vorkommendes Element

Durch das Ersetzen von Iod durch Kobalt erhöht sich die Nachhaltigkeit der Solarzel­len deutlich: „Iod kommt als Element im Boden nur selten vor, hingegen gibt es Kobalt 50 Mal häufiger“, erklärt die Projektleiterin Dr. Biljana Bozic-Weber. Außerdem verbes­sere sich dadurch die langfristige Stabilität von DSC mit Kupferfarbstoffen, da dadurch auch ein Abbauprozess verhindert werde, bei dem die Kupferverbindungen mit dem Elektrolyt reagieren und Kupferiodid bilden.

Der Forschungsgruppe um die Basler Chemieprofessoren Ed Constable und Catherine Housecroft arbeitet zur Zeit daran, die Leistung von Farbstoffsolarzellen mit Kupfer­farbstoffen zu verbessern. Ihnen war es bereits 2012 gelungen, das seltene Ruthe­nium in Solarzellen durch Kupferderivate zu ersetzen - siehe auch Baulinks-Beitrag „Nachhaltige Solarzellen aus häufigen Metallen“ vom 21.6.2012.

Molecular Systems Engineering

„Das Austauschen einer einzelnen Komponente der Solarzellen hat zur Konsequenz, dass alle anderen optimiert werden müssen“, so Ed Constable. Dieses Vorgehen ist Teil eines neuen Ansatzes namens „Molecular Systems Engineering“, bei dem alle mo­lekularen und materiellen Komponenten eines Systems integriert und optimiert werden, um Nanomaschinen zu verbessern. Die vorliegende Publikation beschreibt das Enginee­ring des Elektrolyten, des Farbstoffes und des Halbleiters.

Dieser systemische Ansatz in der Chemie eignet sich speziell für das Engineering von anorganisch-biologischen Hybriden. Er bildet auch die Basis für die bestehende Zu­sammenarbeit der Universität Basel mit dem ETH-Department of Biosystems Enginee­ring in Basel (D-BSSE) und der EMPA. Ein gemeinsamer Antrag der Universität Basel und des D-BSSE für einen neuen nationalen Forschungsschwerpunkt auf diesem Ge­biet steht momentan in der Endphase der Beurteilung.