Photoelektrische Solarzelle mit einem Elektrolytfilm und Verfahren zur Herstellung.

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische Solarzelle mit einer Nanopartikel enthaltende Absorberschicht, die mit einer benachbarten, Kontaktschicht mit zumindest einem Elektronenleitmaterial aus polymerbe- schichteten Nanopartikeln flächig kontaktiert ist, und mit einer transparenten Frontelektrode sowie einem Rückkontakt und auf Verfahren zur Herstellung einer derartigen photoelektrischen Solarzelle.

Ein bislang unverzichtbares Merkmal bekannter photoelektrischer Solarzellen ist die Präsenz eines Redoxelektrolyten, der eine einfache Kontaktierung ermöglicht und den Einsatz auch poröser Materialien als Photoelektroden erlaubt. Im Zusammenhang mit der Verwendung eines Elektrolyten wird auch von einer photoelektrochemischen Solarzelle als Untergruppe der photoelektrischen Solarzellen gesprochen. Die Verwendung eines Elektrolyten eröffnete erstmals die Möglichkeit, beispielsweise nanokristalline Halbleiter, Polymere sowie Farbstoffe (Farbstoff-Makromoleküle), die in einer Erscheinungsform als Nanopartikel im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Nanopartikel" zusammengefasst werden, als Absorbermaterialien oder Komponenten davon zu verwenden. Mit derartig nanostrukturierten Absorber- schichten sind zwar preisgünstige Herstellungsmethoden aber auch potenzielle Korrosionsprobleme verbunden.

Photoelektrochemische Solarzellen mit einer mittels Nanopartikeln nanostrukturierten Absorberschicht zeigen gegenüber herkömmlichen Solarzellen aufgrund ihrer großen Oberfläche eine ähnlich gute Effizienz bei der Energieumwandlung bei gleichzeitig deutlich reduzierten Herstellungskosten. Bei einer Farbstoffsensibilisierung kann eine weitere Effizienzsteigerung durch die

Absorption von Sonnenlicht in einem erweiterten Spektralbereich erreicht werden. Derartige photoelektrische Solarzellen werden auch als Injektionsoder Sensibilisierungssolarzellen bezeichnet. Im Aufbau wird auf ein leitendes Glas (z.B. fluoriertes Zinnoxid FTO) ein lichtdurchlässiges Oxid mit einer großen Bandlücke (z.B. Titandioxid TiO ₂ ) aufgebracht. An der Oberfläche anhaftende Farbstoffe, z.B. Rutheniumkomplexe, Polymere oder Halbleiterpartikel, injizieren photoangeregte Elektronen in das Leitungsband des Oxids. Die Regeneration der injizierenden Substanzen erfolgt im Stand der Technik immer aus einem flüssigen Elektrolyten, einem p-leitenden Polymer oder einem p-leitenden Festkörper. Bei den verwendeten Substanzen muss dabei immer auf ausreichende Verfügbarkeit, kostengünstige Herstellungsweise sowie auf Umweltverträglichkeit und Toxizität geachtet werden.

Nanostrukturierte Absorberschichten werden im Stand der Technik in der Regel mit einer Kontaktschicht in Form eines flüssigen Elektrolyten, eines p- leitenden Polymers oder eines p-leitenden Festkörpers in Berührung gebracht. Dazu zählen flüssige, gelartige oder feste Elektrolyte (beispielsweise Acetonitril mit Jod-Jodid, Gel mit Jod-Jodid oder Polyethylenoxid mit Jod-Jodid), Salze oder elektronisch p-leitende Nanopartikel (Kupferjodid, Kupferthiocyanat) oder p-leitende Polymere (spiro-OMeTAD). Elektrolyte sind als Leiter 2. Klasse grundsätzlich lonenleiter. Bei Anlegen einer Spannung beginnen die Ionen zu wandern und sorgen so für einen Ladungstransport. Ein flüssiger Elektrolyt besteht immer aus einem Lösungsmittel und einem darin gelösten Salz. Das Salz dissoziiert im Lösungsmittel in Ionen, die dann für den Ladungstransport verantwortlich sind. Starke Elektrolyte werden vollständig in Ionen gespalten, wenn sie gelöst werden. Schwache Elektrolyte liegen in der Lösung zum Teil noch als undissoziierte Moleküle vor. Ein flüssiger Elektrolyt (z.B. Acetonitril + Jod/Jodid) steht nicht im Gleichgewicht mit der Umgebung. Bei fehlender Versieglung verdampft das Acetonitril und der Elektrolyt kann keinen Strom mehr leiten. Bei allen gelartigen und festen Elektrolyten ergibt sich dagegen das Problem, die Poren in der Absorberschicht aus Nanopartikeln vollständig zu füllen. Wichtig für eine hohe Umsetzungseffizienz ist die wirksame Ladungs-

trennung von Elektronen und Löchern und deren Sammlung an den Kontakten der Solarzelle. Rekombinationsreaktionen sollen dabei weitgehend vermieden werden. Bei Solarzellen auf Siliziumbasis kann dies in einfacher Weise erreicht werden, indem durch Dotierung ein statisches elektrisches Feld induziert wird. Bei der Verwendung von Nanopartikeln ist jedoch kein elektrisches Feld aufbaubar. Hier muss eine Ladungstrennung herbeigeführt werden, die aus kinetischen Gründen irreversibel ist. Das verwendete elektrolytische Redox- system (der Begriff „Redoxsystem" umfasst als Oberbegriff sowohl den Elektrolyten als auch leitfähige Oberflächenschichten), das Elektronen aufnehmende und abgebende Moleküle aufweist, muss somit vektorielle Eigenschaften aufweisen. Ein gutes Redoxpaar ist beispielsweise Jod/Jodid, von dem jedoch bekannt ist, dass es chemisch sehr aggressiv ist und unerwünschte Folgereaktionen induzieren kann.

Stand der Technik

Der Stand der Technik, von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, wird in der DE 103 56 684 B3 offenbart. Der Inhalt dieser Druckschrift soll durch das Zitat in den Offenbarungsumfang der vorliegenden Erfindung ausdrücklich miteinbezogen sein. In der DE 103 56 684 B3 wird eine photoelektrische Solarzelle mit einer Absorberschicht und einer elektrolytisch wirksamen Kontaktschicht beschrieben, wobei beide Schichten Nanopartikel enthalten. Die bekannte Kontaktschicht ist als Kompositschicht aufgebaut, die sich durch eine pastöse Materialzusammensetzung aus zumindest einem nicht-ionischen Detergens auf Lipidbasis auszeichnet, in dem zumindest ein gemischt elektronischionisches Leitmaterial und ein molekulares Shuttlematerial sowie ein Elektro- nenleitmaterial in jeweiliger Nanopartikelkonsistenz dispergiert sind. Die maßgebende Idee bei der aus der DE 103 56 684 B3 bekannten photoelektrischen Solarzelle besteht somit darin, die aus dem Stand der Technik bekannten flüssigen, gelartigen oder festen Elektrolyte als leitfähige Kompositschicht durch eine Kompositpaste zu ersetzen, der in der Hauptsache aus einem

Detergens auf Lipidbasis besteht, in dem verschiedene Komponenten in Nanopartikelform dispergiert sind. Die pastöse und damit einfacher zu verarbeitende Kompositschicht ist somit eine Dispersion mit Makromizellen, die nicht - wie bei einer Elektrolytschicht - eine Lösbarkeit der einzelnen Kompo- nenten erfordert. Die Leitung der Ladungsträger erfolgt vornehmlich über die Makromizellen und das sie umgebende Detergens (Mizellenleitung). Die Handhabung eines Elektrolyten in Verbindung mit mehreren erforderlichen Komponenten ist jedoch auch bei der bekannten photoelektrischen Solarzelle immer noch erforderlich.

Aus der DE 199 37 910 A1 ist eine photoelektrische Solarzelle, auch mit sensibilisierter Farbstoffschicht, bekannt, bei der der Rückkontakt und der vorhandene Elektrolyt integral in einer gemeinsamen Kompositschicht ausgebildet sind. Dabei wird eine kohlenstoffhaltige, druckfähige Paste verwendet, die auf einer Mischung aus einem Lösungsmittel, beispielsweise Butyrolacton, mit Elektrolytsalzen und Elektrolythilfsmitteln und leitfähigem Ruß und Graphit beruht. Die homogene Suspension wird anschließend durch eine Ultraschallbehandlung bei Raumtemperatur in eine druckfähige Paste überführt. Außerdem wird die Menge an Elektrolytsalz, d.h. der Elektrolytgehalt gezielt reduziert. Es hat sich gezeigt, dass eine Reduktion bis auf 40% der ursprünglich im reinen Elektrolyten enthaltenen Mengen sich auf die Festigkeit der Paste günstig auswirkt. Der Großteil des Elektrolyten verbleibt jedoch in der Paste. Der Druckvorgang erfolgt mit einem saugfähigen Stempel, der gleichzeitig die Paste auf die Absorberschicht aufdrücken und dabei aus der Paste austretende Elektrolytflüssigkeit aufsaugen soll.

Weiterhin ist aus der EP 1 608 027 A1 eine farbstoffsensibilisierte photoelektrische Solarzelle bekannt, die eine Absorberschicht mit Nanopartikeln neben einer flüssigen Elektrolytschicht aufweist. Die Absorberschicht besteht aus roten Selenpartikeln, die mit Titandioxidpartikeln als Photosensibilisator bedeckt sind. Erzeugt werden die modifizierten Selenpartikel durch Herstellung einer Mischung in einer wässrigen Lösung und einen anschließenden Erwär-

mungsprozess zur Verdunstung des Lösungsmittels. Es entsteht eine streichfähige Paste, die auf ein Substrat aufgetragen werden kann. Darüber wird dann eine Elektrolytschicht aufgebracht, die beim Verpressen mit der Rückelektrode entsprechend vorsichtig zu behandeln ist.

Bekannte Nanokomposit-Solarzellen (mit und ohne Farbstoffsensibilisierung) funktionieren also alle in derselben Weise, indem der mit Farbstoffen oder anderen Absorbern belegte Nano-Oxidfilm, beispielsweise TiO ₂ , mit einer flüssigen, pastösen oder festen Elektrolytphase kontaktiert wird. Das bedeutet, dass die Ladungstrennung und die Ableitung der Ladungen im Stand der

Technik immer über in flüssigen Phasen gelöste Elektrolyte bzw. über Partikel aus einem Festkörperelektrolyt, z.B. CuI, erfolgen. Die Ladungstrennung und der Ladungstransport erfolgt bei bekannten photoelektrischen Solarzellen somit immer über eine homogene, kontinuierliche Phase, in der sich zwingend ein molekulares Shuttlematerial, beispielsweise Jod oder Jodid, befinden muss, um eine Ladungsrekombination und den Ladungstransport zu ermöglichen. Insbesondere das Vorhandensein einer elektrolytisch wirksamen, homogenen Phase bereitet diverse Probleme beim Betrieb der Solarzelle und bei deren Herstellung.

Aufgabenstellung

Ausgehend von dem gattungsbildenden Stand der Technik gemäß der DE 103 56 684 B3 ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, eine photoelektrische Solarzelle der eingangs beschriebenen gattungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass die Ladungstrennung und die Ladungsleitung auf eine alternative, aber für die technische Umsetzung besonders günstige Weise erfolgen kann. Dabei sollen gleichzeitig die durch die bisherige Verwendung eines Elektrolyten oder Festkörperkontaktes in dreidimensionaler Ausdehnung auftretende Beschränkung bei der Materialauswahl, Erschwerung der Handhabung, Verringerung der Um-

Setzungseffizienz und der Langzeitstabilität und Hervorrufen von Degradationserscheinungen überwunden werden. Es sollen nur umweltfreundliche Materialien eingesetzt werden. Gleichzeitig soll ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle angegeben werden, das einfach und kostengünstig durchführbar ist und zu einer kostengünstigen Solarzelle führt. Die erfindungsgemäße Lösung für eine photoelektrische Solarzelle der gattungsgemäßen Art ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Solarzelle und bevorzugte Herstellungsverfahren sowie Ausführungsformen davon werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

In der Absorberschicht übernimmt ausschließlich der neuartige Elektrolytfilm bei der erfindungsgemäßen Solarzelle die Elektronenleitung. Die Elektronenleitung in der Kontaktschicht kann sowohl vom Elektrolytfilm als auch von den polymerbeschichteten Nanopartikeln übernommen werden. Die Kontaktschicht dient neben der Leitung der Elektronen vom Rückkontakt bis zur Grenzfläche zur Absorberschicht auch der Katalyse der Reduktion von Elektrolytmolekülen (beispielsweise Trijodid/Polyjodid) im neuartigen Elektrolytfilm. Der Elektrolytfilm bedeckt alle Nanopartikel in der Kontakt- und der Absorberschicht. Die dadurch gebildete Grenzfläche in der Absorberschicht entspricht ungefähr dem 10OOfachen der Zellfläche. Der Elektrolytfilm besteht aus hygroskopischen Salzmolekülen, beispielsweise LiI (Lithiumjodid) mit geringen Anteilen an LiI ₃ bzw. längeren Polyjodidketten, und Lösungsmittelmolekülen. Zur Elektronenleitung muss zumindest ein Teil des Elektrolyten dissoziiert, d.h. in ionischer Form, vorliegen. Die Dissoziation wird durch Lösungsmittelmoleküle ermöglicht. Ohne Lösungsmittelmoleküle fließt kein Strom, sodass sie von essen- zieller Bedeutung für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Solarzelle sind. Die bei der Erfindung verwendeten Elektrolytsalze (z.B. LiI) haben hygroskopische Eigenschaften und ziehen Wasser aus der Umgebung an. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Solarzelle problemlos möglich, da sie einen nicht versiegelten Aufbau aufweist und somit alle Schichten Kontakt zur Umgebung haben. Im Gleichgewichtszustand der Schichten mit der Umgebung

befindet sich somit genügend Wasser im Elektrolytfilm, so dass ein Stromfluss möglich ist. Moleküle von dem Lösungsmittel für den Elektrolyten können sich ebenfalls in dem Elektrolytfilm befinden, um den Stromfluss zu unterstützen, sie müssen es aber nicht. Da das Lösungsmittel für den Elektrolyten aber aufgrund seines niedrigen Dampfdrucks ohne eine Versiegelung der Solarzelle mit der Zeit ohnehin vollständig verdampft, ist dessen Beitrag zum Stromfluss nur zeitlich begrenzt. Wasser steht jedoch über die Umgebung der Solarzelle unbegrenzt zur Verfügung, so dass sich die photoelektrochemische Solarzelle nach der Erfindung auch nach Entfernen aller eingesetzten Lösungsmittel (Hochvakuum) regenerieren kann.

Erzeugbar ist der neuartige Elektrolytfilm bei der erfindungsgemäßen Solarzelle durch ein Einbringen des in einer Flüssigkeit gelösten hygroskopischen Elektrolyten in die poröse Kontaktschicht und Absorberschicht. Es treten dabei - gegenüber einer Verwendung von gelartigen oder festen Elektrolyten - keine Probleme beim Füllen der Nanoporen auf. Danach verdampft das Lösungsmittel unter Normalbedingungen (die Normalbedingungen - SATP Standard Ambient Temperature and Pressure - sind weltweit standardisiert und umfassen eine Standardtemperatur von 25°C und eine Standarddruck von 1000 hPa), wobei der hygroskopische Elektrolyt jedoch nicht seine Fähigkeit verliert, Ladungsträger zu transportieren, da er durch seine hygroskopische Eigenschaft gleichzeitig Wasser als Lösungsmittel aus der Umgebungsluft anzieht. In der Elektrolytlösung ist der Elektrolyt vollständig gelöst. Erst beim Verdampfen des Lösungsmittels fallen einzelne Moleküle wieder aus.

Der Elektrolytfilm bei der erfindungsgemäßen Solarzelle liegt als zweidimensionale und nicht als dreidimensionale Schicht vor. Das bedeutet, dass sich zwischen den Nanopartikeln ein Perkolation zulassendes Netzwerk von Nanoporen befindet, die in Kontakt mit der Umgebungsluft stehen. Dadurch ist ein schneller Stofftransport, beispielsweise von Wasser, von der Umgebung bis zur Absorberschicht möglich. Alle bekannten Solarzellen (Farbstoffzellen)

besitzen anstatt der Poren flüssige oder feste Schichten. Deren flüssige bzw. gelartige Elektrolyte müssen versiegelt werden, um ein Auslaufen bzw. Verdampfen zu verhindern. Auch die meisten Feststoffelektrolyte müssen versiegelt werden, da einzelne Bestandteile empfindlich auf Wasser/Sauerstoff reagieren. Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle entfällt hingegen eine

Versiegelung oder Verkapselung, sie steht im direkten Gleichgewicht mit ihrer Umgebung. In Abgrenzung zu anderen Farbstoffzellen mit Feststoffelektrolyten bzw. zu den organischen Solarzellen ist sie damit auch nicht feuchtigkeits- bzw. luftempfindlich. Im Gegenteil dazu ist bei der erfindungsgemäßen Solarzelle der Kontakt zur Umgebung funktionswesentlich. Weiterhin kann für herkömmliche Farbstoffzellen Wasser als Lösungsmittel für klassische Elektrolyte (Konzentration bis 1 mol/l) nicht verwendet werden, da insbesondere die standardmäßig eingesetzten Ru-Farbstoffkomplexe von den Nanopar- tikeln der Absorberschicht, beispielsweise TiO ₂ , desorbieren würde. Wasser wurde daher bislang für Farbstoffzellen als schädlich angesehen und nicht verwendet. Es hat jedoch aufgrund seiner Umweltverträglichkeit und unbegrenzten Verfügbarkeit wünschenswerte Eigenschaften als Lösungsmittel. Durch die Gegenwart großer Mengen von Elektrolytmolekülen ( Lil/I ₃ -) bei der erfindungsgemäßen Solarzelle verändert sich das chemische Potenzial von Wasser jedoch so, dass der Farbstoff in der Absorberschicht nicht mehr desorbiert und somit Wasser vorteilhaft als Lösungsmittel eingesetzt werden kann. Dabei beeinflusst das Lösungsmittel aber nicht die Eigenschaften des Elektronenleitmaterials in Form der polymerbeschichteten Nanopartikel. Elektronen können ungehindert durch das Kohlenstoffnetzwerk wandern.

Wie dick der Elektrolytfilm ist, hängt von der Teilchengröße und der Oberfläche der verwendeten Nanopartikel, auf den die Elektrolytmoleküle abgeschieden und mit Lösungsmittelmolekülen verbunden werden, und von dem erreichten Gleichgewichtszustand ab. Unter der Berücksichtigung der Parameter der jeweiligen Präparationsbedingungen (umgesetzte, auf Schicht aufgebrachte Lösung, Gesamtgröße der Nanopartikeloberfläche, auf die nicht verdunstete Bestandteile abgeschieden werden) sind somit aber die Zusammensetzung

und die Eigenschaften des Elektrolytfilms auf den Nanopartikeln in der Kontaktschicht und der Absorberschicht der Solarzelle nach der Erfindung bekannt.

Bei der erfindungsgemäßen photoelektrischen Solarzelle mit einer Nano- partikel enthaltenden Absorberschicht (auch als nanostrukturierte Solarzelle auch Nano-Solarzelle bezeichnet) wurde herausgefunden, dass diese auch betrieben werden kann, wenn flüssige Elektrolyte oder feste, dreidimensional ausgeprägte Elektrolyte vollständig fehlen. Die Ladungstrennung und - transportprozesse laufen bei der erfindungsgemäßen Solarzelle nicht durch eine homogene Phase, sondern als Oberflächenströme auf den Nanopartikeln ab. Der bedeutsame Vorteil bei der erfindungsgemäßen Solarzelle besteht deshalb darin, dass die für die Technik unbequemen nassen Elektrolyten eliminiert bzw. die Nachteile der Kontaktbildung mit festen Elektrolyten umgangen werden. Auf diese Weise wird auch die Herstellung der erfindungsgemäßen Solarzelle deutlich vereinfacht. Außerdem ergibt sich ein erhebliches Potenzial der Verbesserung durch Optimierung der Oberflächenströme auf den entsprechend konditionierten Nanopartikeln.

Da ein charakteristisches Merkmal bei der erfindungsgemäßen Solarzelle die elektrische Leitfähigkeit der Kontaktschicht auf den Oberflächen seiner Nanopartikel ist und da der durch Ladungstrennung entlang der Oberflächen erzeugte Oberflächenstrom von Oberfläche zu Oberfläche durch die Grenzflächen zwischen benachbarten Oberflächen der Nanopartikel hindurch fließt, kann die erfindungsgemäße Solarzelle zutreffender Weise auch als „Nano- Grenzflächenleitungssolarzelle" (engl. „Nano Surface Conductivity Solar Cell" mit dem Akronym NSCSC) bezeichnet werden. Durch diese Fähigkeit der Ausprägung eines Oberflächen- bzw. Grenzftächenstroms erreicht ein charakteristisches Merkmal, die Ausprägung eines zweidimensionalen Elektro- lytfilms, bei der erfindungsgemäßen Solarzelle seine Funktionalität. Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, dass durch die optimierbare Erzeugung des Oberflächenstroms eine Kontrolle der Rückreaktion an der Grenzfläche zur

Absorberschicht zur Vermeidung von Spannungszusammenbrüchen und eine gleichzeitige Unterstützung der Oberflächenleitung und damit eine dauerhafte Aufrechterhaltung der Stromleitung möglich ist. Bei der erfindungsgemäßen Solarzelle laufen die Ladungsprozesse somit nicht über eine homogene Phase, sondern über Oberflächenströme auf den Nanopartikeln ab. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Größe der Nanopartikel der Absorberschicht im Bereich der Größe der Nanopartikel der Kontaktschicht liegt

Bevorzugt können bei der Solarzelle nach der Erfindung polyacrylbeschichtete Nanopartikel eines homogen suspensierbaren Kohlenstoffleitklebers als polymerbeschichtete Nanopartikel für das Elektronenleitmaterial in der Kontaktschicht verwendet werden. Die Kohlenstoff partikel weisen eine ausreichende elektronische Leitfähigkeit auf. Die Größe der Nanopartikel liegt μm-Bereich, sodass deren Eindringen in die Absorberschicht nicht möglich ist. Die Grenz- fläche zwischen Kontaktschicht und Absorberschicht ist also in erster Nährung gleich der Zellfläche. Das Polymer bzw. Polyacryl auf der Oberfläche der Nanopartikel dient zur Unterdrückung von Elektronenrekombination zwischen Absorber- und Kontaktschicht. Derartige Kleber sind preiswert und kommerziell als hochviskose Paste ohne weiteres erhältlich sowie einfach suspensierbar. Bevorzugt werden als Lösungsmittel nicht-elektrolytisch wirkende und nicht leitende organische Lösungsmittel verwendet. Hierbei kann es sich beispielsweise um Ethanol, Isopropanol, Aceton oder Methoxypropionnitril oder Mischungen damit handeln. Weiterhin kann auch Wasser als Lösungsmittel eingesetzt werden, soweit das verwendete Elektronenleitmaterial wasserlöslich ist.

Zur Unterstützung der Leitprozesse und der Kontakteigenschaften der Kontaktschicht mit der Absorberschicht kann zusätzlich ein gemischt elektronisch-ionisches Leitmaterial in der Kontaktschicht vorgesehen sein. Hierbei kann es sich bevorzugt um Kupfer, Silber, Jod, Phosphor und/oder ein Chalkogenid und/oder ein oxidhaltiges Material, insbesondere auch um Cu ₇ PS ₆ , Cu ₃ PS ₄ oder [o,40(Cu _0>95 Ago _, o ₅ l)o,45(Ag ₂ O) 0,15(B ₂ O ₃ )], handeln.

Als weitere vorteilhafte Modifikation der Solarzelle nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Absorberschicht auf Basis oder in Form von Titanoxid, Zinkoxid und/oder einem nano- oder mikrostrukturierten Halbleiter- material oder Polymer und einem Farbstoff ausgebildet ist. Damit sind insbesondere auch die farbstoffsensibilisierten Solarzellen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst. Statt Farbstoffen können auch Halbleiter- Nanopartikel, beispielsweise WS ₂ , als lichtabsorbierende und sensibilisierende Stoffe wirken.

Die Frontelektrode und der Rückkontakt der elektrolytfreien Nano-Solarzelle nach der Erfindung können bevorzugt als Glassubstrat mit einer Fluor-dotierten Zinnoxidbeschichtung (FTO) ausgebildet sein. Besonders bevorzugt können auch Elektroden aus leitfähigem Kunststoff eingesetzt werden, die Vorteile bei der Herstellung, beim Betrieb und bei den Kosten der Solarzelle erbringen. Insbesondere kann bevorzugt der Rückkontakt aus einer PET-Folie bestehen. Weiter oben wurde bereits ausgeführt, dass eine spezielle Verkapselung der Solarzelle nach der Erfindung entfällt, da ein Kontakt der Schichten mit der Umgebung erforderlich ist. Damit ist deren Offenheit wesentlich für die Elektronenleitung in der Kontaktschicht durch Oberflächenströme auf den insbesondere auch mit Wasserrückständen benetzten Nanopartikeln. Eine Verbesserung der Leitprozesse ergibt sich, wenn eine innige Verbindung der Absorberschicht mit der Kontaktschicht und dem Rückkontakt über einen erhöhten Anpressdruck besteht Durch diese Maßnahme werden die Nano- partikel enger aneinandergedrückt, die Grenzflächen werden entsprechend gekrümmt und der Fluss der Oberflächenströme auf den Nanopartikeln erleichtert. Ein erhöhter Anpressdruck kann beispielsweise durch einfache Klemmen um das Schichtenpaket hervorgerufen werden.

Die Nanopartikel enthaltenden Materialien für Absorber- und Kontaktschicht können als niederviskose Pasten eingesetzt werden. Das eröffnet die Möglichkeit, die Solarzelle nach der Erfindung in besonders einfacher Weise

durch Siebdruck herstelle zu können. Es wird einfach auf ein als Frontelektrode ausgerüstetes Substrat zunächst die Absorberpaste aufgedruckt und gegebenenfalls gesintert/sensibilisiert und anschließend die Kontaktschichtpaste aufgedruckt. Anschließend wird der Rückkontakt aufgepresst und die Solarzelle elektrisch kontaktiert. Nach derart wenigen Verfahrensschritten ist die Solarzelle nach der Erfindung dann bereits voll funktionsfähig.

Bei einem alternativen Herstellungsverfahren nach dem Dip-Coating-Prinzip sind folgenden bevorzugt Verfahrensschritte vorgesehen:

■ Bereitstellung der Frontelektrode,

■ mehrfaches Eintauchen der Frontelektrode in eine Lösung mit einem Nanopartikel enthaltenden Absorbermaterial und jeweils anschließendes vollständiges Trocknen des anhaftenden überzuges zur Bildung der Absorberschicht,

^■ Suspensieren und Homogenisieren der polymerbeschichteten Nanopartikel für die Kontaktschicht in einer Elektrolytlösung aus einem hygroskopischen Elektrolyten und einem Lösungsmittel, das bei Normalbedingungen einen Dampfdruck von mehr als 10 ⁴ Pa hat, ^■ mehrfaches Eintauchen der Frontelektrode mit der Absorberschicht in die Suspension und jeweils anschließendes Trocknen des anhaftenden überzuges unter Normalbedingungen,

^■ Anpressen des Rückkontaktes und

■ elektrisches Kontaktieren von Frontelektrode und Rückkontakt.

Dabei kann der Trocknungsprozess des anhaftenden überzuges aus Elektro- nenleitmaterial-Suspension durch zusätzliches Heizen unterstützt werden. Ein Trocknen in einem moderaten Vakuum (beispielsweise 10 Pa) fördert die Verdunstung von schwer lösbaren Lösungsmitteln (beispielsweise Xoluol, Toluol).

Weiterhin können folgende zusätzliche Verfahrensschritte vorgesehen sein:

■ Tempern der gebildeten Absorberschicht für eine Dauer in einem Bereich von 30 min bei einer Temperatur in einem Bereich von 450 ⁰ C, ■ Abkühlen der getemperten Absorberschicht auf eine Temperatur in einem Bereich von 80 ⁰ C,

■ Sensibilisierung der abgekühlten Absorberschicht für eine Dauer in einem Bereich von 12 h in einer Farbstoff lösung und/oder

■ Eintauchen der mit der Absorberschicht und der Kontaktschicht beschichteten Frontelektrode in eine Lösung mit einem gemischt elektronisch-ionisches Leitmaterial.

Zwischen den einzelnen Verfahrensschritten können weitere zusätzliche Verfahrensschritte in Form von Reinigungsschritten vorgesehen sein, insbesondere um elektrische Kürzschlüsse zwischen den einzelnen

Komponenten der elektrolytfreien Solarzelle nach der Erfindung zu vermeiden. Näheres hierzu und zu dem gesamten Verfahrensablauf kann dem nachfolgenden speziellen Beschreibungsteil entnommen werden.

Ausführungsbeispiele

Ausbildungsformen der Solarzelle nach der Erfindung hinsichtlich des Aufbaus und der Herstellung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigt für die Solarzelle die:

Figur 1 einen Querschnitt durch den Schichtaufbau,

Figur 2 eine Hell-Dunkel-Kennlinie,

Figur 3 einen Kurzschlussstromverlauf, Figur 4 einen Leerlaufspannungsverlauf,

Figur 5 einen Kurzschlussstrom- und Leerlaufspannungsverlauf zur

Langzeitstabilität,

Figur 6 eine Hellkennlinie zur Langzeitstabilität,

Figur 7 einen Leerlaufspannungsverlauf unter speziellen Bedingungen, Figur 8 einen Kurzschlussstromverlauf unter speziellen Bedingungen,

Figur 9 eine Hell-Dunkel-Kennlinie einer nicht senisbilisierten

Solarzelle und Figur 10 ein Diagramm zur Abhängigkeit des Kurzschlussstromes von der absorbierten Lösungsmittelmenge.

Experimenteller Teil

Die Solarzelle nach der Erfindung ist unversiegelt und unverkapselt und steht im Gleichgewicht mit der Umgebung. Sie hat im Ausführungsbeispiel

(Labormaßstab) eine sandwichartige Struktur mit folgenden Komponenten (vergleiche Figur 1):

Frontelektrode FE Die Frontelektrode FE besteht aus FTO (fluor donated tin oxide)-beschichte- tem Glas (Asashi Glas, Japan) mit einem Schichtwiderstand von 10 ω pro Fläche. Die Kontaktierung zum äußeren Stromkreis erfolgt über ein Kupferkabel, das mit einem Ultraschalllötkolben direkt auf die Frontelektrode FE aufgelötet wird (in Figur 1 nicht dargestellt). Die Frontelektrode FE wird vor Gebrauch für jeweils 10 min in destilliertem Wasser und Ethanol im Ultraschallbad gereinigt.

Absorberschicht AS

Als Absorberschicht AS wird Titandioxid Tiθ ₂ als lichtdurchlässiges Oxid mit großer Bandlücke eingesetzt. Die Absorberschicht AS wird direkt auf die

Frontelektrode FE mit einem Dip-Coating-Verfahren aufgebracht. Dazu werden

12 g TiO ₂ (P25, Degussa) mit 400 μl eines Detergens (Triton X, Fluka) und 400 μl Acetylaceton (p.a. Merck) in 62 ml eines Lösungsmittels (Ethanol, absolut, Merck) gegeben und für 90 s mit einer Ultraschallkanone homogenisiert. In die erhaltene Suspension wird die Frontelektrode FE mehrere Male getaucht, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Pro Zyklus wächst die Absorberschicht AS um ca. 2 μm. Nach jedem Eintauchen wird die Absorberschicht AS komplett getrocknet, damit sie gleichmäßig wächst.

Die einzelnen Schichten der Absorberschicht AS werden in-situ mit einem Dektak-Step-Profiler (Sloan Dektak 3030 - Veeco Instruments) untersucht. In den dargestellten Experimenten variiert die Schichtdicke zwischen 4μm und 10 μm). Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Schichten (SEM) zeigen einen durchschnittlichen TiO ₂ -Partikeldurchmesser von 20 nm - 40 nm.

Vor der Weiterverarbeitung wird die Absorberschicht AS für 30 min bei 450 ⁰ C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre getempert, um alle organischen Bestandteile zu entfernen und die Oberfläche von Wasser zu befreien. Nach Abkühlen auf ca. 80 ⁰ C wird die Absorberschicht AS für 12 h in einer 5-10 ^"4 mol/l-Lösung von Ru-535 (Solaronix SA) als Farbstoff FS sensibilisiert. Die aktive Zellfläche beträgt für alle Experimente 0,5 cm ² .

Kontaktschicht KS

Die Kontaktschicht KS wird aus einem Elektronenleitmaterial SC in Form eines porösen Kohlenstoffleitklebers mit acrylbeschichteten Nanopartikeln NP (pRHC

14075, Provac GmbH) aufgebaut und mit der Absorberschicht AS kontaktiert.

Da der Kohlenstoffleitkleber als hochviskose Paste vertrieben wird, wird er zur besseren Verarbeitung zunächst in eine niedrigviskose Suspension überführt.

Dazu werden 100 mg Kohlenstoffleitkleber in 0,5 ml Isopropanol (p.a., Fluka) gegeben und für 30 s mit einer Ultraschallkanone homogenisiert. Neben

Isopropanol können alle Lösungsmittel LM verwendet werden, die eine

homogene Suspension mit dem Kohlenstoffleitkleber bilden (sie müssen eine ähnliche oder geringere Polarität als Isopropanol aufweisen) und einen hinreichend niedrigen Siedepunkt haben, damit das Lösungsmittel ohne Probleme vollständig wieder entfernt werden kann. In mehreren Zyklen wird die Suspension anschließend mit der Doctor-Blade-Methode auf die Absorberschicht AS auf der Frontelektrode FE aufgebracht. Es werden ca. 30 μl der Suspension auf die Absorberschicht AS gegeben und mit einem Glasstab verteilt. Anschließend wird das Lösungsmittel LM angetrocknet und eine weitere Suspensionsschicht auf die Absorberschicht AS aufgestrichen. Diese Prozedur wird so oft, bis die Absorberschicht AS unter der Kontaktschicht KS nicht mehr sichtbar ist.

Danach wird die beschichtete Frontelektrode FE von überstehendem Kohlenstoffleitkleber der Kontaktschicht KS gereinigt werden, z.B. mit einem Aecton- getränktem Wattestab. Ein direkter Kontakt zwischen der Kontaktschicht KS und der Frontelektrode FE würde zu inneren Kurzschlüssen und zu einem Zusammenbruch der Zelleffizienz führen.

Anschließend wird die mit Absorberschicht AS und Kontaktschicht KS beschichtete Frontelektrode FE für 15 min bei 10 Pa gelagert, um die schwer flüchtigen Lösungsmittel im Kohlenstoffleitkleber (XyIoI, Toluol) zu entfernen, sodass maximal Spuren von nicht verdunstetem Lösungsmittel LM auf den Nanopartikeln NP der Absorberschicht AS.

Elektronenleitung

Für den Belag der Nanopartikel NP in der Kontaktschicht KS und der Absorberschicht AS mit einem Elektrolytfilm EF, werden 133,8 mg (10 ^"3 mol) Lithiumjodid LiI und 25,4 mg (10 ^"4 mol) Jodid I ₂ in 1 ml Ethanol gelöst. Die mit der Absorberschicht AS und der Kontaktschicht KS beschichtete Frontelektrode FE wird für 10 min in diese Elektrolytlösung getaucht. Durch die

Verwendung der Elektrolytlösung kann auch die Absorberschicht AS gut durchtränkt werden. überstehende Reste auf der Kontaktschicht KS werden anschließend mit Zellstoff entfernt, die Frontelektrode FE wird mit einem wassergetränktem Wattestäbchen von eingetrocknetem Lil/l ₂ -Resten befreit, um innere Kurzschlüsse zu vermeiden. Die auf diese Art endbehandelte

Frontelektrode FE wird abschließend nochmals für 15 min bei ungefähr 10 Pa gelagert, um Reste von Lösungsmittel LM zu entfernen.

In der Kontaktschicht KS erfolgt die Elektronenleitung sowohl über den Elektrolytfilm EF als auch über die polyacrylbeschichten Kohlenstoff-Nano- partikel NP der Kontaktschicht KS. In der Absorberschicht AS erfolgt die Elektronenleitung von den lichtabsorbierenden Farbstoffpartikeln ausschließlich über den Elektrolytfilm EF.

Eine gleichzeitige Erzeugung der Kontaktschicht KS und der Ausrüstung der Nanopartikel NP mit dem Elektrolytfilm EF ist ebenfalls möglich durch eine Vereinigung der Lösungen. In die Elektrolytlösung werden homogen suspen- sierbare Nanopartikel NP (hier polyacrylbeschichtete Kohlenstoffkleber- Nanopartikel) gegeben, es entsteht eine Suspension. Dadurch wird eine gute Verteilung der dissoziierten und undissoziierten Elektrolytmoleküle EM auf den Nanopartikeln NP der Kontaktschicht KS und der Absorberschicht AS erreicht. Die Elektrolytmoleküle EM und das nicht verdunstete bzw. das aus der Umgebung aufgenommene Lösungsmittel LWl bilden den Elektrolytfilm EF auf den Nanopartikeln NP, durch den die Elektronenleitung in der Kontaktschicht KS und der Absorberschicht AS hervorgerufen wird.

Der Elektrolytfilm EF besteht im gewählten Ausführungsbeispiel aus Elektrolytmolekülen EM, beispielsweise LiI mit geringen Anteilen an LiI ₃ bzw. längeren Polyjodidketten. Erst durch den Umstand, dass nicht alle Elektrolytmoleküle gelöst sind, wird der besondere Leitmechanismus („Oberflächenströme") bei der Erfindung möglich. Wenn mit einem Mechanismus nach „Grotthus"

argumentiert wird, bedeutet dies, dass erst durch die große Stoffdichte die Ausbildung längerer Polyjodidketten möglich wird, die einen Ladungstransport ohne Massentransport ermöglichen. Zur Elektronenleitung muss dann zumindest ein Teil des UI/IJI ₃ dissoziiert, d.h. in ionischer Form, vorliegen. Die Dissoziation wird durch Lösungsmittelmoleküle ermöglicht. Ohne Lösungsmittelmoleküle fließt kein Strom, d.h. sie sind von essenzieller Bedeutung für das Funktionieren der Zelle nach der Erfindung. LiI ist ein hygroskopisches Elektrolytsalz, d.h. es zieht Wasser aus der Umgebung an. Im Gleichgewichtszustand mit der Umgebung ist somit genügend Wasser im Elektrolytfilm EF, sodass ein Stromfluss möglich ist. Andere Lösungsmittelmoleküle (aus der Suspension des Kohlenstoffklebers zur Erzeugung der Kontaktschicht KS bei getrennter Herstellung oder aus der Lösung des Elektrolyten) können sich ebenfalls in dem Elektrolytfilm EF befinden, um den Stromfluss zu unterstützen, sie müssen es aber nicht. Da diese leichtflüchtigen Lösungsmittel über die Zeit in der Regel vollständig verdampfen, tragen sie somit keinen dauerhaften Anteil an der Stromleitung. Dieser wird von dem Wasser aus der Umgebung, das von dem hygroskopischen Elektrolyten in der unversiegelten Kontaktschicht KS aufgenommen wird, dauerhaft geleistet.

Die beiden Einschübe in der Figur 1 zeigen links die Nanopartikel NP

(polymerbeschichteter Kohlenstoff) als elektronenleitendes Material SC in der Kontaktschicht KS und rechts die Nanopartikel NP (TiO ₂ ) als elektronenleitendes Material SC der Absorberschicht AS. Beide Sorten Nanopartikel NP tragen den Elektrolytfilm EF aus Elektrolytmolekülen EM (dissoziiert, also bereits als Ionen, und undissoziiert) und Spuren von Lösungsmittel LM zur Dissoziation noch nicht ionisierter Elektrolytmoleküle EM. Bei der Verwendung von TiO ₂ sind in der Absorberschicht AS zusätzlich sensibilisierende Farbstoffmoleküle FS vorteilhaft, da TiO ₂ selbst nur wenig Licht absorbiert.

Rückkontakt BC

Als Rückkontakt BC kann ebenfalls ein FTO-Glassubstrat verwendet werden. Dieses wird für vor Gebrauch für jeweils 10 min in destilliertem Wasser und Ethanol im Ultraschallbad gereinigt und mit einem Kupferkabel kontaktiert. Anschließend wird der Rückkontakt BC ohne weitere Behandlung mit zwei Klammern auf die beschichtete Frontelektrode FE gedrückt.

Alternativ kann auch eine handelsübliche PET-FoNe als Substrat für den Rückkontakt BC verwendet werden. Der Widerstand der Kohlenstoffschicht kann bis auf 0,07 ωcm ^"1 reduziert werden, wodurch das FTO ersetzt werden kann. Dadurch können die Kosten bei der Herstellung der Zelle noch einmal deutlich reduziert werden.

Analytischer Teil

Die Kennlinien wurden mit einem Potentiometer der Firma Princeton Applied Research (Par 273) aufgenommen. Als Lichtquelle diente eine herkömmliche Halogenlampe (Osram 100 W). Die Lichtintensität wurde mit einem Bolometer geeicht (Melles Griot Broadband Power/Energy Meter 13PEM001). Im Strahlengang befand sich außerdem ein Infrarotfilter (wasserbasierend, Dicke 3 cm), sodass sich die Zellen auch bei Dauerbeleuchtung nur bis auf maximal 40 ⁰ C erwärmten.

Kennlinien

Die Figur 2 zeigt die typische Dunkel- und Hellkennlinie (Strom in mAcm ^"2 über Spannung in V) der nach oben angegebenen Verfahren hergestellten Solarzelle nach der Erfindung. Die Zellparameter sind bis auf eine Genauigkeit von ±20 % reproduzierbar. Die relativ hohen Abweichungen erklären sich durch die vielen manuellen Arbeitsschritte im Labormaßstab und sind durch eine

vermehrte Automatisierung abzustellen. Bei der angegebenen Scangeschwindigkeit zeigt die Strom-Spannungs-Kurve eine Hysterese. Die angegebene Kurve ergibt sich aus dem arithmetischen Mittel des Vor- und Rückscans.

In den Figuren 3 und 4 sind der Kurzschlussstrom (Stromdichte in mAcm ^"2 über der Zeit in s) und die Leerlaufspannung (Spannung in V über der Zeit in s) derselben Solarzelle dargestellt. Wie die Figur 3 zeigt, benötigt die Solarzelle ca. 3 min, bis sie einen stationären Zustand erreicht. Merkmal ist das Auftreten eines Peaks bei Einschalten des Lichts (ein Hinweis auf eine Stromlimitierung durch eine zu geringe Geschwindigkeit des Löchertransportes), dem anschließenden Durchlaufen eines Minimums und dann einer stetigen Zunahme des Stromes bis zu einem stationären Wert. Der Peak und das Minimum sind in der gezeigten Figur 3 jedoch nur sehr schwach ausgeprägt.

Auch der Kurvenverlauf der Leerlaufspannung in Figur 4 zeigt bei allen Messreihen ein qualitativ ähnliches Verhalten. Bei beginnender Belichtung tritt ein schwach ausgeprägter Peak auf, der danach zu einem stationären Wert relaxiert. Die Abklingkurve nach Ausschalten des Lichtes hat unterschiedliche Zeitkonstanten, die von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten reichen können.

Langzeitstabilität

Zur ersten Einschätzung der Langzeitstabilität wurden fünf nach oben angegebenem Schema präparierte Solarzellen für eine Woche bei Raum- temperatur und Zimmerbeleuchtung gelagert. Danach wurden für jeweils eine Stunde die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom gemessen. Die Solarzellen waren während der gesamten Zeitspanne offen, d.h. sie standen bei Luftdruck in Kontakt mit Luft und dem in der Luft gelöstem Wasser. Exemplarisch ist in Figur 5 (Leerlaufspannung in V über der Zeit in s) das Ergebnis für eine Solarzelle zu sehen. Dabei erreicht die Solarzelle erst nach einer Stunde kontinuierlicher Belichtung ihren maximalen Strom. Da die

Solarzelle schon nach schätzungsweise 5 Minuten ein Temperaturgleichgewicht erreicht hat, können für dieses Verhalten nicht ausschließlich Temperatureffekte verantwortlich sein. Die Spannung ist im selben Zeitraum um 40 mV gefallen, wobei kein stationärer Zustand erreicht wurde. Die Spannung erreicht jedoch nach wenigen Minuten Lagerung im Dunkeln wieder ihren ursprünglichen Wert.

Die Figur 6 zeigt die für diese Solarzelle gemessene Hellkennlinie. Die Messung erfolgte nach den Langzeitmessungen für Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom, sodass die Solarzelle zu diesem Zeitpunkt bereits 2 h belichtet war. Die ursprünglichen Zellparameter für diese Solarzelle waren: Effizienz 0,64 %, V _O c 0,44 V, l _S c 4,3 mAcm ^"2 , FF 0,34. Die relative Abnahme der Zelleffizienz betrug nach einer Woche demnach 14 %. Dabei ist festzustellen, dass die relative Luftfeuchtigkeit einen Einfluss auf die Zelleffizienz hat.

Einfluss von absorbierten Lösungsmittelmolekülen auf die Zelleffizienz

Der Einfluss von absorbierten Lösungsmittelmolekülen (wichtig für die Funktion des Elektrolytfilms, der in der Absorberschicht ausschließlich für den Elektronentransport zu den Farbstoffpartikeln sorgt) auf der sensibilisierten Absorberschicht wurde am Beispiel von Wasser, Ethanol, Isopropanol, Aceton und Methoxypropionnitril untersucht. Qualitativ wurden für alle Lösungsmittelmoleküle ähnliche Ergebnisse gefunden, allerdings war die Streuung der Wiederholungsexperimente zu groß, um von den chemischen Eigenschaften der Lösungsmittelmoleküle auf die Effizienz der Zelle schließen zu können. Ein Messzyklus bestand jeweils aus folgenden Teilschritten:

1) Die Solarzelle wurde bei Raumtemperatur und Laboratmosphäre gemessen. Die Zellen waren zu diesem Zeitpunkt zwischen ein und zwei Tagen alt, da sich gezeigt hat, dass die Zelleffizienz in den ersten

Stunden nach der Fertigstellung noch stark variieren kann.

2) Die Solarzelle wurde 1 Stunde bei 10 Pa gelagert und direkt im Anschluss daran gemessen.

3) Die Solarzelle wurde für 1 Stunde in einem Einhalskolben mit Gasanschluss über eine gesättigte Atmosphäre des jeweiligen Lösungsmittels gehalten. Dabei wurde fortwährend bei niedrigen

Flussraten Stickstoff eingeleitet, um den Wassergehalt innerhalb des Systems möglichst gering zu halten.

Die Ergebnisse sind in Figur 7 (Leerlaufspannung in V über der Zeit in s unter Normalbedingungen, bei reduziertem Druck und unter gesättigter Ethanol- atmosphäre) und Figur 8 (Kurzschlussstrom in mAcm ^"2 über der Zeit s unter Normalbedingungen bei reduziertem Druck und unter gesättigter Ethanol- atmosphäre) am Beispiel von Ethanol zu sehen. Bemerkenswert ist zunächst, dass die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom bei Belichtung komplett zusammenbrechen. Für die Leitungsmechanismen innerhalb der nanoporösen Kontaktschicht ist die Gegenwart geringer Mengen von Lösungsmittel unerlässlich. Normalerweise wird dies aus der Luft adsorbiertes Wasser sein, jedoch zeigen die Experimente, dass dafür auch andere Lösungsmittel in Frage kommen. Bei der Verwendung von Ethanol stieg der Kurzschlussstrom kurzzeitig bis auf 9 mAcm ^"2 and sank dann innerhalb weniger Minuten auf einen stationären Wert, von 4,5 mAcm ^"2 an. Offensichtlich verdampft anfänglich schwach adsorbiertes Ethanol von der Oberfläche, bis nur noch solche Moleküle adsorbiert sind, die thermisch nicht oder nur mit einer sehr kleinen Ratenkonstanten desorbieren. Die zeitabhängige Messung der Leerlaufspannung zeigt, dass es sich bei den adsorbierten Molekülen tatsächlich um Ethanol und nicht um Wasser handelt. Während sich an Luft ein stationärer Wert der Leerlaufspannung von 0,35 V einstellt, steigt dieser im Fall von Ethanol auf ca. 0,6 V. Dabei ist davon auszugehen, dass Ethanol in der Lage ist, die Oberfläche so zu passivieren, dass die Rückreaktion von Elektronen direkt auf das Jod langsamer wird.

Nicht sensibilisierte Absorberschicht

Die zuvor beschriebenen Photoeffekte lassen sich bei der Solarzelle nach der Erfindung auch beobachten, wenn nicht sensibilisierte Tiθ2-Absorberschichten verwendet werden. Der Verfahrensweg zur Herstellung einer solchen Solarzelle ist bis auf das Eintauchen in die Farbstofflösung identisch mit dem zuvor beschriebenen Verfahrensweg. Eine typische Hellkennlinie (Strom in mAcm ^"2 über Spannung in V) für eine Beleuchtungsstärke von 100 mWcm ^"2 ist in Figur 9 dargestellt.

Langzeitexperimente über einen Monat haben gezeigt, dass die nicht- sensibilisierte Solarzelle im offenen Zustand (Kontakt mit Umgebungsluft, Lagerung im Dunkeln) stabil ist und nicht an Effizienz verliert. Zeitabhängige Messungen des Kurzschlussstromes und der Leerlaufspannung über drei Stunden bei Belichtung (100 mWcm ^"2 ) haben ebenfalls keine Effizienz- einbüßen ergeben.

Absorptionsverhalten

In Figur 10 ist die Abhängigkeit des Kurzschlussstromes einer nach der

Erfindung präparierten Solarzelle von der absorbierten Lösungsmittelmenge dargestellt. Zu erkennen ist ein steiler Anstieg des Kurzschlussstromes bis zu einer Porenfüllung mit 0,25*10 ^"6 g Wasser pro cm ² . Anschließend ergibt sich ein leichter Abfall. Eine komplette Porenfüllung ist bei 5*10 ^"6 g Wasser pro cm ² erreicht. Ein maximaler Kurzschlussstrom wird also bereits bei einer sehr geringen Wasserabsorption erreicht, weshalb die Solarzelle nach der Erfindung auch mit Wasser aus der Umgebung als Lösungsmittel eine gute Effizienz zeigt.

Bezugszeichenliste

AS Absorberschicht

BC Rückkontakt

EF Elektrolytfilm

EM Elektrolyt bzw. -moleküle

FE Frontelektrode

FTO Zinnoxidbeschichtung

FS Farbstoff

KS Kontaktschicht

LM Lösungsmittel (auch Wasser aus der Umgebung)

NP Nanopartikel

SC Elektronenleitmaterial