Nach Fukushima wird die Notwendigkeit von Alternativen zur
Kernenergie immer deutlicher. Viele Technologien werden gegenwärtig
intensiv erforscht, wobei oft vernachlässigt wird, wie nachhaltig die
verwendeten Materialien sind. Ein Prozess jedoch, der auf teuren und
seltenen Rohstoffen basiert, wird sich in der Massenproduktion kaum
durchsetzen. Chemiker der Universität Basel beschreiben nun in der
angesehenen Fachzeitschrift «Chemical Communications» einen wegweisenden
Ansatz zum Bau günstiger und nachhaltiger Farbstoff-Solarzellen auf der
Basis von Zink – eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste.
Farbstoff-Solarzellen oder DSC (Dye-sensitized Solar Cells) bestehen
aus dem Halbleiter Titandioxid, auf dem ein Farbstoff verankert ist.
Dieser Farbstoff absorbiert Sonnenlicht und überträgt Elektronen an den
Halbleiter, wodurch ein Stromfluss entsteht. Den Forschern Nik
Hostettler und Ewald Schönhofer aus der Gruppe der Professoren Edwin
Constable und Catherine Housecroft an der Universität Basel sind nun
zwei Durchbrüche gelungen: Erstens haben sie eine neue Strategie zur
Herstellung und Verankerung von Farbstoffen an der Oberfläche von
Titandioxid-Nanopartikeln entwickelt und zweitens konnten sie erstmals
zeigen, dass dazu einfache Verbindungen des reichlich verfügbaren
Metalls Zink verwendet werden können. Laut der Projektleiterin Dr.
Biljana Bozic war entscheidend, ein Verfahren für die
Synthese des Farbstoffs und dessen Verankerung auf der
Halbleiteroberfläche zu entwickeln.
Farbstoffsolarzellen im Test unter einer künstlichen Sonne. (Foto: Universität Basel/Edwin Constable)
Die
Entdeckung, dass Zinkfarbstoffe zur Herstellung von Solarzellen
verwendet werden können, war äusserst unerwartet. Laut Prof. Edwin
Constable wird Zink von den meisten Chemikern als eher «langweiliges»
Element angesehen, da die meisten seiner Verbindungen farblos sind. Bei
Forschungsarbeiten im Hinblick auf neuartige Beleuchtungssysteme hatten
er und sein Team organische Verbindungen entdeckt, die an Zink
gebundenneuartige, intensiv-farbige Materialien bilden. Obwohl die mit
farbigen Zinkverbindungen bestückten Solarzellen noch nicht besonders
effizient arbeiten, öffnet diese Beobachtung den Weg für eine neue
Generation von Solarzellen, die mit bisher unberücksichtigten
Farbstoffen arbeiten.
Herkömmliche Farbstoff-Solarzellen
verwenden Farbstoffe auf der Basis von Ruthenium. Ruthenium ist ein sehr
seltenes Metall und mit rund 3'500 Franken (2990 €) pro Kilogramm
entsprechend teuer. Kürzlich demonstrierte das Basler Forscherteam die
Leistungsfähigkeit von Farbstoffen aus dem reichlich vorkommenden und
relativ günstigen Kupfer (7,5 Fr./6,3 € pro Kilogramm). Durch die
Verwendung von billigem Zink (1,8 Fr./1,5 € pro Kilogramm) erhöht sich
die Nachhaltigkeit der Technologie zusätzlich. «Dies ist ein bedeutender
Schritt in Richtung unseres Traums, Photovoltaik und Beleuchtung in
intelligenten Vorhängen zu verbinden, die tagsüber Sonnenenergie
speichern und nachts als Beleuchtungselemente dienen», so Ed Constable.
«Dieses Vorhaben steht im Zentrum unseres Forschungsprogramms ‹Light-In,
Light-Out›, das vom Europäischen Forschungsrat ERC finanziert wird.»
Originalbeitrag: Biljana Bozic-Weber, Edwin C. Constable, Nik Hostettler, Catherine E. Housecroft, Ralf Schmitt and Ewald Schönhofer: The d10 route to Q1 dye-sensitized solar cells: step-wise assembly of zinc(II) photosensitizers on TiO2 surfaces
Quelle: Universität Basel
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