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Auf Nanopartikel basierte Farbstoffsolarzellen

Forschungsinhalte

  • Entwicklung von neuen Strukturen und Schichtsystemen
  • Herstellung von Farbstoff-Solarzellen in Mikrosystemtechnik
  • Untersuchung geeigneter Substrate für die Integration von Farbstoff-Solarzellen
  • Entwicklung geeigneter Schaltungstechniken zur Steigerung der Energieeffizienz

Thematische Einführung

Der Klimawandel, die andauernd steigenden CO2-Werte und der ständig wachsende Energiebedarf sind die großen Probleme unserer Zeit. Daher gewinnen regenerative Energien immer mehr an Bedeutung. Ein wichtiger Teilbereich ist hier die Photovoltaik. Die Grundlage der Photovoltaik ist die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Da aber herkömmliche Solarzellen aus Silizium nur sehr kostenintensiv und mit hohem Energieaufwand hergestellt werden können, sind insbesondere Farbstoff-Solarzellen eine interessante Alternative. Ein möglicher Anwendungsbereich für diese Zellen könnte z.B. in Ländern der Dritten Welt liegen. Diese Länder haben sehr viele Sonnenstunden und sind auf billige Alternativen angewiesen. Neben der kostengünstigen, umweltschonenden und einfachen Herstellung besitzen diese Solarzellen den Vorteil, dass sie auf flexiblen Foliensubstraten hergestellt werden können. Des weiteren sind sie auch unter diffusen Lichtbedingungen, wie in Innenräumen, gut einsetzbar. Die Hauptkomponenten dieser auch als Grätzelzellen bekannten Farbstoff-Solarzellen sind dabei ein Farbstoff, der Halbleiter Titandioxid und ein flüssiges Elektrolytsystem. Die Funktionsweise dieser Solarzellen ist an der Photosynthese von Pflanzen angelehnt. Im Falle des Lichteinfalls auf die Zelle gelangt ein Elektron eines Farbstoffmoleküls auf eine höhere Energieebene und wird von der Titandioxidschicht aufgenommen. Innerhalb kürzester Zeit wird dann ein Elektron aus dem Elektrolytsystem (Jod-Kaliumjodidlösung) an den Farbstoff abgegeben. Dadurch entsteht der Ladungstransport. Als Anode und Kathode werden bei dieser Art von Solarzelle meistens mit ITO (Indium-Zinnoxid) beschichtete Glassubstrate verwendet.

Am Fachgebiet Sensorik wird alternativ dazu an Möglichkeiten geforscht, Farbstoff-Solarzellen in Mikrosystemtechnik zu fertigen, um dadurch jedes erdenkliche Grundsubstrat wie Silizium, Glas oder Folien verwenden zu können. Bei diesem Verfahren werden die Zellen planar in Halbleiterprozesstechnik hergestellt. Um die Energieeffizienz zu erhöhen, werden immer mehrere Farbstoffsolarzellen in Reihe geschaltet.

Links: Schematische Darstellung einer Farbstoffsolarzelle; Rechts: Auftretende Beugungseffekte an Gitterelektroden
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