PORTEFEUILLE

Die Farbstoffsolarzelle ist eine in der Schweiz erfundene innovative Technologie zur Erzeugung von Elektrizität aus Sonnenenergie. Die Farbstoffsolarzelle könnte in der Zukunft einen entscheidenden Anteil an der kostengünstigen und grossflächigen Gewinnung von elektrischer Energie aus Sonnenenergie leisten.

Zur Herstellung von Farbstoffsolarzellen werden Materialien in einfachen und kostengünstigen Abläufen verarbeitet, z.B. mit der Siebdrucktechnik unter Umgebungsatmosphäre. Mittelfristig könnte eine grossflächige und kostengünstige Rolle-zu-Rolle-Produktion erfolgen, dabei wird ein solarer Wirkungsgrad von über 10% auf der aktiven Fläche angestrebt.

Farbstoffsolarzellen eignen sich besonders für folgende Einsatzgebiete: Als Alternativen zu herkömmlichen Glaswerkstoffen im Fassaden- oder Dachbereich, für die dezentrale elektrische Energieversorgung (Sensorsysteme, Lichtquellen etc.), für die Consumer-Elektronik.

Die Technologie erlaubt eine grössere Freiheit im Design (Farb- und Formgebung) als bisher verfügbare Solarzellen, etwa durch die Färbung, sowie die Möglichkeit die Transparenz durch das Aufdrucken von Streuschichten zu variieren.

Dieses Projekt hat das Ziel validierte Modelle einer Farbstoffsolarzelle zu entwickeln. Die Farbstoffsolarzellen-Forschung und -Entwicklung kann entscheidend beschleunigt werden, wenn diese neuen Modelle in effiziente und genaue numerische Algorithmen implementiert werden. Hierzu sollen die Algorithmen mit einer benutzerfreundlichen Software für den routinemässigen Einsatz in der Praxis verfügbar gemacht werden. Durch eine Modellierung der gekoppelten optischen, elektrochemischen und elektrischen Prozesse in der Farbstoffsolarzelle können die Verlustmechanismen bei der Energiewandlung quantifiziert und bewertet werden. Dies ist vor allem bei der modellgestützten Selektion und Weiterentwicklung geeigneter Materialien für die Herstellung von Farbstoffsolarzellen von grosser Bedeutung. Die Software soll darüber hinaus für die Interpretation von Messergebnissen und für die Optimierung von Kenngrössen von Farbstoffsolarzellen Anwendung finden.

Die Farbstoffsolarzelle verfügt über mehrere attraktive Alleinstellungsmerkmale (Flüssig-Prozessierbarkeit, Substratwahl, Semitransparenz etc.), die die bisherigen Silizium-basierten Photovoltaik (PV)-Technologien übertreffen und somit eine echte Innovation darstellen. Bis jetzt wurde dieses Potential jedoch nur unzureichend ausgeschöpft. Es gilt nun mit Hilfe von numerischen Modellen das Verständnis der Verluste und Alterungsmechanismen zu verbessern und das Innovationspotential umzusetzen.

Ein Durchbruch der Farbstoffsolarzelle, d.h. eine Markteinführung dieses Solarzellentyps setzt eine Wirkungsgradsteigerung bei der Energiewandlung sowie ein besseres Verständnis der Degradationsphänomene voraus. Dies lässt sich v.a. durch eine modellbasierte Analyse erreichen.

Das Projekt zielt vor allem auf einen Transfer der entwickelten Methoden und Modelle in die Schweizer Industrie und an Schweizer Forschungsinstitutionen.

Das Institute of Computational Physics der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften und die Gruppe Laboratoire de Photonique et Interfaces der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (Gruppe von Professor Grätzel) streben in dem Projekt eine enge Zusammenarbeit an. Mit dem Projekt wird ausserdem die anwendungsorientierte Forschung an der Fachhochschule (Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften, ZHAW) unterstützt.

Das Projekt ist in einem hohen Masse interdisziplinär: Für die Modellierung der Farbstoffsolarzellen muss Know-how aus den Bereichen Angewandte Mathematik, Numerik, Physik und Elektrochemie kombiniert werden. Das Institute of Computational Physics hat durch die Modellierung von Brennstoffzellen (Projekt GRS-006/05) und von organischen Leuchtdioden bereits wertvolle Erfahrung mit dieser Art von Interdisziplinarität und Komplexität.

Die erste Etappe des Projekts wurde im Jahr 2009 abgeschlossen. Als Ergebnisse der ersten Etappe wurde ein optisches und ein elektrisches Modell einer Farbstoffsolarzelle erstellt. Mit dem optischen Modell kann die Absorption, Reflexionsverluste und die räumlich verteilte Generationsrate angeregter Farbstoffmoleküle berechnet werden. Das Modell basiert auf Dünnschichtoptik, Strahlverfolgung und effektiver Medientheorie. Die Validierung des optischen Modells geschah durch einen Vergleich mit Reflexions- und Transmissionsmessungen an eigens konstruierten Proben, die die in der Farbstoffsolarzelle eingesetzten Materialien enthalten.

Im elektrischen Modell wurden die wesentlichen Prozesse berücksichtigt, die in einer Farbstoffsolarzelle ablaufen: Mit dem Modell kann die Elektronendichte im Halbleiter und die elektrische Stromdichte simuliert werden. Hierzu wurde die Rekombination von Ladungsträgern an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Elektrolyt modelliert. Mit dem elektrischen Modell können Strom-Spannungskennlinien und die spektrale Empfindlichkeit von Farbstoffsolarzellen berechnet werden.

Im Jahr 2010 wurde am ICP in Winterthur eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) für die Software zur Farbstoffsolarzellensimulation implementiert. Diese Benutzeroberfläche soll Firmen und Forschungsgruppen zugänglich gemacht werden, die an Farbstoffsolarzellen arbeiten. Mit der Software können diese Gruppen eine modellbasierte Zellanalyse durch Vergleich der Simulationsrechnungen mit Messergebnissen durchführen und so wichtige Einblicke zur Weiterentwicklung der Solarzellen gewinnen. Mit Hilfe der Simulationssoftware wurde auch eine quantitative modellbasierte Verlustanalyse der Farbstoffsolarzellen der EPFL durchgeführt . Dabei wurden die optischen und elektrischen Verluste detailliert aufgeschlüsselt. Zum Beispiel wurde der Anteil des auf die Solarzelle einfallenden Lichts berechnet, der aufgrund von Verlusten wie Reflexion und Absorption in elektrisch inaktiven Schichten nicht in Strom umgewandelt wird. Die modellbasierte Verlustanalyse ist ein Schlüssel zur Weiterentwicklung der Farbstoffsolarzellen. Ausserdem wurde ein Algorithmus zur zeitabhängigen Simulation der Zellen entwickelt. Mit dem zeitabhängigen Modell können transiente Ströme, Spannungen sowie Impedanzspektren berechnet werden. Durch Vergleich von experimentell gemessenen Daten mit den Simulationen der Software können die Modellparameter extrahiert werden. Auf diese Art und Weise konnten wissenschaftliche Erkenntnisse über die Prozesse im Innern der Farbstoffsolarzelle bestätigt werden. Zum Beispiel zeigte sich, dass sogenannte Bandlückenzustände in der Farbstoffsolarzelle vorkommen und für die Funktion der Farbstoffsolarzelle eine Rolle spielen.

Durch das Projekt konnten die beteiligten Institute ihr know-how in der modellbasierten Analyse und Simulation von Farbstoffsolarzellen entscheidend verbessern. Es konnten internationale Kontakte zu anderen Forschungsgruppen gepflegt werden, sowie die Beziehungen zu Herstellern von Solarzellen in der Schweiz und im nahen Ausland geknüpft werden. Die entwickelte Simulationssoftware wird von Forschern an der EPFL verwendet. Durch eine weitere Zusammenarbeit soll die Software in Zukunft noch besser den Bedürfnissen von Forschungsinstitutionen und Firmen angepasst werden. Einige Nachfolgeprojekte sind geplant oder laufen in Kürze an. In einem dieser Projekte wird die Langzeitstabilität der Farbstoffsolarzellen untersucht. In einem weiteren Projekt soll die Simulationssoftware mit einer grösseren Datenbank von verschiedenen Materialien (z.B. verschiedene Farbstoffe, Elektrolyte und Elektrodenmaterialien) ausgestattet werden. Damit können Farbstoffsolarzellen mit ganz verschiedenen Materialkombinationen simuliert werden. Dies ist für Herstellerfirmen essentiell, da sie durch diese modellbasierte Charakterisierung ihre Produkte besser bewerten und verbessern können.

S. Wenger, M. Schmid, G. Rothenberger, M. Grätzel, J.O. Schumacher, «Coupled Optical and Electronic Modeling of Dye-Sensitized Solar Cells for Steady-State Parameter Extraction», Journal of Physical Chemistry C, to be published.

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