Solarzellen, auch bekannt als photovoltaische Zellen (PVs), sind eine Klasse von Geräten für erneuerbare Energien, mit denen die Photonen der Sonnenstrahlen in Strom umgewandelt werden können. Es gibt zahlreiche Formen von Solarzellen, wobei die gängigsten Typen aus anorganischen Materialien bestehen. Durch neue Entwicklungen in der Technologie ist jedoch eine breite Palette von Dünnschicht-Solarzellen entstanden. Dabei reichen die Entwicklungen von der Möglichkeit, Solarzellen mit Tinten zu bedrucken, über flexible Solarzellen aus organischen Materialien und Solarzellen mit Quantenpunkten bis hin zu farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSCs). Im Folgenden betrachten wir die verschiedenen Arten von Dünnschicht-Solarzellen, die heute hergestellt werden können, und die chemischen Hintergründe dieser Entwicklungen.

Organische Solarzellen

Organische Solarzellen sind die zweitgrößte Art von Solarzellen. Bei diesen Solarzellen werden in der Regel polymere Materialien für die Umwandlung der Photonen in Elektrizität verwendet, es können aber auch andere organische Materialien eingesetzt werden. Organische Solarzellen sind wesentlich kostengünstiger in der Herstellung und weitaus flexibler als anorganische Solarzellen, ihre Umwandlungswirkungsgrade sind jedoch erheblich geringer. Im Gegensatz zu anorganischen Solarzellen können organische Moleküle in einer Lösung verarbeitet werden, und die Entwickler können diese Lösungen nutzen, um im Vergleich zu ihren anorganischen Pendants wesentlich dünnere Zellen herzustellen.

Die chemische Zusammensetzung des Polymers ist entscheidend für die Erzeugung von elektrischem Strom. Mithilfe chemischer Verfahren lässt sich die Bandlücke des Polymers verändern und damit eine elektronische Abstimmbarkeit erreichen. Der Wirkungsgrad organischer Solarzellen ist zwar nicht so hoch wie bei anorganischen Materialien, aber organische Materialien haben einen sehr hohen optischen Absorptionskoeffizienten. Dadurch können Entwickler dünnere Module herstellen, ohne die Fähigkeit zur Stromerzeugung zu verlieren. Die chemische Zusammensetzung ermöglicht es außerdem, Polymere zu druckbaren Formulierungen zu verarbeiten (druckbare Solarzellen) und organische Solarzellen transparent zu machen, sodass sie in Fenstern und anderen Bereichen von Gebäuden eingesetzt werden können.

Viele gehen davon aus, dass die Funktionsweise in etwa der von anorganischen Solarzellen entspricht. Die chemischen und internen Strukturen sind bei anorganischen Solarzellen jedoch grundlegend anders. In anorganischen Solarzellen werden Dotierstoffe verwendet, um die chemische Struktur des anorganischen Materials so zu verändern, dass Elektronen und Löcher erzeugt werden, die dann durch eine Verarmungszone getrennt werden, in der einige der Elektronen und Löcher bereits wieder miteinander verbunden sind, was zur Trennung der restlichen Ladungen führt. Die Wanderung dieser getrennten Ladungsträger zur gegenüberliegenden Seite des Verarmungsbereichs unter Aufnahme von Photonen bewirkt, dass ein Strom fließt.

Das Prinzip von organischen Solarzellen ist jedoch anders. Organische Solarzellen verwenden spezifische Donator-Akzeptor-Materialien, um die Elektronen und Löcher zu erzeugen, keine dotierten Materialien. Die organischen Moleküle absorbieren die Photonen des Lichts, wodurch sogenannte Exzitonen entstehen – ein Elektron und das dazugehörige Loch. Die Lichtabsorption führt auch dazu, dass die Elektronen innerhalb des Exzitons angeregt werden und dann vom Valenzband in das Leitungsband wandern. Daraufhin bewegt sich das Exziton zur Grenzschicht zwischen dem Donator- und dem Akzeptormaterial und spaltet sich dort in ein Elektron und ein Loch auf. Diese Ladungstrennung führt zu einem Stromfluss, da die Elektronen und Löcher zu den Elektroden fließen.

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC)

Farbstoffsensibilisierte Solarzellen (DSSC) sind ebenfalls eine aufstrebende Art von Dünnschicht-Solarzellen. Allerdings arbeiten sie nach einem völlig anderen Prinzip, um durch Sonneneinstrahlung einen elektrischen Strom zu erzeugen. Diese Klasse von Dünnschicht-Solarzellen ist halbtransparent und halbflexibel.

Bei DSSCs dreht sich alles um die Anode. Die Anode in einer DSSC ist mit einem halbleitenden Film beschichtet, umhüllt von einer Titandioxidschicht. Diese wird anschließend mit einem lichtempfindlichen Farbstoff – in der Regel ein Rutheniumkomplex – getränkt, der sich mit der Titandioxidschicht verbindet. Bei der Kathode handelt es sich einfach um eine Glasplatte, die mit einem Platinfilm beschichtet ist, der als Katalysator dient. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich eine Elektrolytlösung.

Wie der Name schon sagt, ist der im Anodenbereich befindliche Farbstoff der Schlüssel zum stromerzeugenden Mechanismus. Wenn Sonnenlicht auf einen DSSC fällt, wird der Farbstoff angeregt und seine Elektronen wechseln von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand. Durch diese höhere Energie kann der Farbstoff die Bandlücke des Halbleiters überwinden. Daraufhin oxidiert er und ein Elektron wird in das Leitungsband des Halbleiters abgegeben. Dadurch wird der Halbleiter leitend und es fließt ein Strom. Das elektronische Gleichgewicht der Zelle wird wiederhergestellt, indem die Elektrolytmoleküle dem Farbstoff ein Elektron spenden, wodurch der Farbstoff wieder in einen nicht angeregten elektronischen Grundzustand übergeht. Der Elektrolyt wird durch eine Reduktionsreaktion an der Kathode in seinen normalen elektronischen Zustand zurückgeführt.

Quantenpunkt-Solarzellen

Quantenpunkt-Solarzellen sind noch nicht so weit entwickelt wie andere Dünnschicht-Solarzellen, aber das Interesse an ihnen wächst. Quantenpunkte sind 0D-Materialien (Elektronen sind in allen drei Richtungen quantenmechanisch eingeschlossen), die nur wenige Nanometer groß sind. Aufgrund ihrer Größe und Quanteneigenschaften haben Quantenpunkte einzigartige optische Absorptions- und Emissionseigenschaften. Einer der Hauptgründe für die Verwendung von Quantenpunkten ist ihre abstimmbare Bandlücke. Da sie von Natur aus halbleitend sind, funktionieren sie wie herkömmliche anorganische Halbleiter, aber aufgrund der geringen Größe jedes Quantenpunkts wirken sie im Wesentlichen wie eine Solarzelle mit mehreren Übergängen.

Durch die abstimmbare Bandlücke können sie auch so eingestellt werden, dass sie Strahlung in vielen verschiedenen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums absorbieren. Derzeit ist ihr Wirkungsgrad zwar noch wesentlich geringer als der anderer Solarzellen, aber es gibt ein großes Potenzial für diese Technologie. Quantenpunkte sind die einzige Art von Material, die in Solarzellen verwendet wird und die für jedes absorbierte Photon mehr als ein Elektron freisetzen kann. Alle anderen Materialien haben ein Verhältnis von 1:1. Mit Quantenpunkten kann also die Umwandlungseffizienz erheblich gesteigert werden, indem mehr Elektronen für jedes absorbierte Photon des Lichts freigesetzt werden.

Fazit

Anorganische Solarzellen sind zwar nach wie vor am weitesten verbreitet, aber es gibt mittlerweile viele weitere Arten von Solarzellen. Die meisten anderen sind nicht so effizient, aber was ihnen an Effizienz fehlt, machen sie durch andere Eigenschaften wieder wett. So ist beispielsweise ein wesentlicher Grund für die Verwendung nicht-anorganischer Materialien, dass sie viel dünner, flexibler, optisch transparent und in einigen Fällen auch bedruckbar sind. Dank der Möglichkeit, weitere Materialien zu verwenden, können Solarzellen auch an Gebäudebereichen eingesetzt werden, die mit konventionellen anorganischen Solarzellen nicht abgedeckt werden können, z. B. in Fenstern oder an gekrümmten Architekturen. Das erweitert die Einsatzmöglichkeiten von Solarzellen als eine Klasse von Systemen zur Nutzung erneuerbarer Energien erheblich und macht sie wesentlich vielseitiger. Schlussendlich ist es wie bei vielen Dingen: Die chemischen Eigenschaften der verwendeten Materialien machen vieles möglich.