Neue Erkenntnisse zur Funktion von Solarzellen

DSSCs haben als vielversprechende Alternativen zu herkömmlichen siliziumbasierten Solarzellen vor allem daher große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie weniger kostenintensive Materialien beinhalten und relativ einfache Herstellungsverfahren ausreichen. Diese Zellen bestehen aus einer photosensibilisierten Titanoxid (TiO2)-anode (welche von einem Sonnenlicht absorbierenden molekularen Farbstoff umgeben ist), einem Flüssigelektrolyt und einer Metallkathode.

In Anbetracht dessen, dass der Photostrom von den Farbstoffnanomaterialien abhängt, sind die Beleuchtung und Kontrolle derer Grenzflächeneigenschaften für eine Steigerung der photoelektrischen Umwandlungseffizienz unabdingbar. Im Rahmen von POLYMAP (Mapping and manipulating interfacial charge transfer in polymer nanostructures for photovoltaic applications) beleuchteten Wissenschaftler das Verhältnis zwischen der elektrochemischen oder elektrokatalytischen Aktivität von Materialien und Veränderungen in deren Morphologie, die bei DSSCs an Elektrodenschnittstellen auftreten.

Durch die Anwendung einer neuen, hochauflösenden elektrochemischen Rastersondentechnik, einer elektrochemischen Zellenrastermikroskopie (Scanning Electrochemical Cell Microscopy, SECCM), überwandten Wissenschaftler Herausforderungen im Zusammenhang mit der Untersuchung nanostrukturierter Elektrodenmaterialien. Durch eine Beleuchtung von Elektroden und durch Anwendung des SECC-Verfahrens wurden erfolgreich mit einer Auflösung im Submikrometerbereich Variationen in der photoelektrochemischen Aktivität von mit einem Farbstoff überzogenen TiO2-Aggregaten abgebildet. Eine Modulation der Lichtstärke ermöglichte dem Team die Untersuchung von Verlustprozessen, welche die Umwandlungseffizienz beeinträchtigen.

In Anbetracht deren fundamentaler Bedeutung für Ladungstransportmechanismen wurde die Arbeit ebenfalls auf die Vorbereitung und Durchführung einer elektrochemischen Beschreibung konjugierter Polymere mit einer Dicke zwischen 5 und 500 nm ausgerichtet. Bei einer mikroskopischen Beobachtung wurden vor allem wegen der Heterogenität der elektroaktiven Filme Variationen in der elektrochemischen Aktivität beobachtet. Durch Kombinierung des SECC-Verfahrens mit einer Abstoßungskraft-Mikroskopie und einer Raman-Mikrospektroskopie stellte das Team eine Verbindung zwischen Struktur und Reaktivität der elektrolytisch abgeschiedenen organischen Filme fest.

Es wurde anhand von Materialien, welche die chemische Reaktionsgeschwindigkeit steigern, festgestellt, dass Kohlenstoffnanoröhren über deren gesamte Länge elektroaktiv sind, wobei sich deren Morphologie auf deren Reaktivität auswirkt. Wissenschaftler demonstrierten zudem, dass unberührte, defektfreie Kohlenstoffnanoröhren ebenso effektive Elektrokatalysatoren sind, wie Gold. Dies hat insbesondere für die Wasserstoffperoxidherstellung zur Verwendung als Brennstoff bedeutende Implikationen.

Schließlich zeigten intensiv als Wasserspaltungsphotokatalysatoren untersuchte Iridiumoxidnanopartikel entsprechend des Elektrodenpotenzials nennenswerte Variationen bei deren elektrokatalytischer Aktivität.

Die Projektergebnisse bieten einen neuen Blick auf Photovoltaikgeräte im Nanobereich und ermöglichen letztlich die Gestaltung verbesserter DSSCs.