Im Kampf gegen den Klimawandel spielt Solarenergie eine wichtige Rolle als Ersatz für fossile Brennstoffe. Farbstoffsolarzellen versprechen eine kostengünstige Ergänzung zur bisherigen Photovoltaik. Ihr Schlüsselmerkmal sind farbige Sensibilisatoren auf der Oberfläche. Forschende der Universität Basel haben die Leistung weiter verbessert, indem sie Sensibilisatoren mit dem häufig vorkommenden und umweltfreundlichen Metall Eisen verwendeten.
Sensibilisatoren sind stark gefärbte Verbindungen, die Licht absorbieren und die Energie in Elektrizität umwandeln, indem sie Elektronen abgeben und in den Halbleiter «impfen». Bislang sind die in Farbstoffsolarzellen eingesetzten Sensibilisatoren entweder relativ kurzlebig oder erfordern die Verwendung sehr seltener und teurer Metalle. Der heilige Gral der Photovoltaikforschung ist deshalb die Entwicklung von Sensibilisatoren mit dem Metall Eisen, das sowohl umweltfreundlich als auch das am häufigsten vorkommende Übergangsmetall auf unserem Planeten ist.
Viele Jahre lang hielten Fachleute Eisenverbindungen für diese Anwendungen für ungeeignet, weil die nach der Absorption des Lichts entstehenden angeregten Zustände zu kurzlebig sind, um sie zur Energiegewinnung zu nutzen. Dies änderte sich vor rund sieben Jahren mit der Entdeckung einer neuen Klasse von Eisenverbindungen mit sogenannten N-heterozyklischen Carbenen (NHC).
Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Edwin Constable und Prof. Dr. Catherine Housecroft vom Departement Chemie der Universität Basel arbeitet seit einigen Jahren mit diesen Verbindungen. Im Fachjournal «Dalton Transactions» berichtet nun das Team um Projektleiterin Dr. Mariia Becker über Ergebnisse zu einem Sensibilisator mit einer neuen Familie von NHCs.
Ein bisschen Essig und Fett
«Wir wussten, dass wir Materialien entwickeln mussten, die an der Oberfläche eines Halbleiters haften und die gleichzeitig durch ihre Beschaffenheit erlauben, die Anordnung der funktionalen lichtabsorbierenden Komponenten auf der Oberfläche zu optimieren», erklärt Becker.
Die Forschenden gingen diese Herausforderungen auf zweierlei Weise an: Zum einen banden sie Carbonsäuregruppen (wie sie in Essig vorkommen) in die Eisenverbindung ein, um letztere an die Halbleiteroberfläche zu binden. Zum anderen machten sie die Verbindungen «fettig», indem sie lange Kohlenstoffketten einfügten, die die Oberflächenschicht flüssiger und besser platzierbar machten.
Die so erzeugten Farbstoffsolarzell-Prototypen erreichen zwar nur einen Gesamtwirkungsgrad von 1 Prozent, während kommerzielle Solarzellen heute einen Wirkungsgrad von rund 20 Prozent erreichen. «Dennoch bedeuten die Ergebnisse einen Meilenstein, der weitere Forschung zu diesen neuen Materialien anregen wird», ist Becker überzeugt.
Originalveröffentlichung
- Mariia Becker, Vanessa Wyss, Catherine E. Housecroft and Edwin C. Constable; "The influence of alkyl chains on the performance of DSCs employing iron(II) N-heterocyclic carbene sensitizers"; Dalton Transactions; 2021