Nano-Baum ZnO-Nanodrähte steigern Effizienz von Farbstoff-Solarzellen

Forscher vom Applied Nano Tech & Science Lab am Korea Advanced Institute of Science and Technology und dem Laser Thermal Lab an der UC Berkeley haben eine Nano-Baum-Architektur entwickelt, die die Performance von Farbstoff-sensibilisierten Solarzellen (DSSCs) signifikant verbessert.

Farbstoff-sensibilisierte Solarzellen

Seit den späten 1960ern entdeckten Wissenschaftler, dass organische Farbstoffe Licht in Elektrizität umwandeln können, wenn sie mit Oxid-Elektroden gekoppelt sind. Dieses Prinzip wurde 1972 mit Chlorophyll aus Spinat erstmals demonstriert und legte das Fundament für DSSCs – Dünnschicht-Geräte, die eine foto-sensibilisierte Anode mit einem Elektrolyten kombinieren.

In einer DSSC sind die Farbstoffmoleküle typischerweise nanometergroß, doch eine ausreichend dicke Farbstoffschicht ist nötig, um genug Licht einzufangen. Nanostrukturierte Gerüste bieten hohe Oberfläche für Farbstoffbeladung ohne Kompromisse beim Geräte-Footprint.

Schlüsselvorteile

DSSCs können per Rollendruck gefertigt werden, sind semi-flexibel und semi-transparent und basieren auf günstigen Materialien. Während ihre Konversionseffizienzen (≈ 11 %) niedriger sind als konventionelle Siliziumzellen (> 15 %), macht ihr günstiges Kosten-Leistungs-Verhältnis sie wettbewerbsfähig mit fossiler Stromerzeugung.

Hydrothermale Nano-Baum-Synthese

Inspiriert von natürlichem Baumverzweigen, nutzte das Team eine hydrothermale Methode gefolgt von Polymerentfernung und Seed-Deposition, um Zinkoxid (ZnO) Nanodrähte wachsen zu lassen, die Miniaturbäume mit umfangreichen Zweigen ähneln.

Performance-Gewinne

Geräte, gebaut mit diesen verzweigten ZnO-Nanodrähten, zeigen Kurzschlussstromdichte und Gesamt-Licht-zu-Elektrizität-Konversionseffizienz nahezu viermal höher als jene mit vertikal ausgerichteten ZnO-Nanodrähten. Die Verbesserung resultiert aus der erhöhten Oberfläche für Farbstoffbeladung und verbesserter Lichternte sowie reduzierter Ladungsrekombination durch direkte Konduktion entlang der kristallinen Zweige.

Jenseits von Solarzellen hält die hierarchische Nano-Baum-Architektur Versprechen für hochkapazitive Energiespeicherung und effiziente Energieverbrauchs-Geräte.