Prof. Dr. Michael Graetzel

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1 Prof. Dr. Michael Graetzel

2 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Die nanokristalline Solarzelle basierend auf Photosynthese Energie Gipfel, Baden, Schweiz Michael Graetzel ETH Lausanne

3 Beitrag der erneuerbaren Energie zum jährlicher Energieverbrauch der Welt Energieverbrauch In Exajoules Jahr Deuscher Rat für globalen Wechsel, Berlin

4 Die solare Herausforderung Der globale Weltenergieverbrauch wird sich in den nächsten 40 Jahren von 14 TW auf 28 TW verdoppeln um diesen enormen Zuwachs abzudecken, müssen nicht-fossile Quellen gefunden werden Mit einer Einstrahlintensitität von Terrawatt auf Erdniveau ist die Sonne die grösste erneuerbare Energiequelle Jedoch muss die Umwandlung der Sonnenenergie kostengüstig ti erfolgen.

5 Photovoltaik hat eine hohe Wachstumsrate

6 Preissturz durch bahnbrechende neue Technologien rice (200 03$/Wp) 10.0 PV Module P ?? Revolutionaire neue Technologie basierend auf Grundlagenforschung 20?? Evolution traditioneller PV Zellen GW 90% 80% ,000 10, ,000 Cumulative Production (MWp) 70% 1,000,000 (1 TW) From T. Surek, JCG, 2005

7 Die Farbstoff-solarzelle führt die neue PV generation an

8 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Inhalt Prinzip der Photosynthese Prinzip der Farbstoffsensibilisierten Solarzelle (DSSC) Varianten der DSSC Die DSSC auf dem Weg zum kommerziellen Produkt Farbsoff-Solarzellen Hersteller

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10 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Der grüne Blattfarbstoff Chlorophyll Photosynthese DSSC Varianten Kommerz Praxis

11 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Die licht-getriebene Elektronenpumpe p der grünen Pflanzen Photosynthese LICHT Light DSSC Varianten H 2 O Kommerz Praxis 1 2 O H+ e Chl Chl * Chl + e M M e Membrane ~ 50Å

12 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Prinzip der Farbstoffsensibilisierten Solarzelle Photosynthese DSSC Varianten Kommerz e- e- e- e- (S+/S*) A e- Praxis ΔU TiO 2 Pt licht (D+/D) e- e- (S+/S)

13 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Optimierte Stabile Farbstoffsysteme Photosynthese DSSC Varianten Kommerz O HO HO O HO N N N Ru N O Roter Farbstoff N N C C S S TBAO 2 C SCN N NCS Ru N Schwarzer Farbstoff NCS N CO 2 TBA Praxis O OH CO 2 H

14 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Die Farbstoffzelle ist die einzige dursichtige Solarzelle, Sie fängt Licht aus allen Richtungen ein. Je nach Wahl des Farbstoffs kann die Farbe gewechselt werden. Photosynthese DSSC Varianten Kommerz Praxis

15 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Titandioxid Nanopartikel Photosynthese DSSC Varianten Kommerz Praxis

16 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Nanocrystallines TiO 2 Photosynthese DSSC Varianten Kommerz Praxis Funktion des TiO 2 1. Oberfläche für Farbstoffadsorption: nanocrystalliner Character Vergrösserung aktiver Oberfläche gegenüber geometrischer mit einem Faktor von Elektronen Akzeptor: Chemische Verankerung von Farbstoff auf dem TiO 2 um elektronische Kopplung und schnelle Elektronübertragung zu gewehrleisten (Carboxylate, Phosphonate o.a.). 3. Elektron Transport Material: Die Schichten bestehen aus isolierendem (undotierten)tio 2 und werden durch die Elektronenübertragung photodotiert.

17 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Verschieden Zelltypen Photosynthese DSSC Elektrolytezellen: 1. Iodide + HSL 2. Iodide + ionische Flüsigkeiten 3. Cobalt Komplex + HSL Varianten Kommerz Praxis X Feststoffzelle Feste Lochleiter Gel mit hoch siedende Lösungsmittel X + hν

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20 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Zellenbauer Dr. Andreas Hinsch, FHI, ISE Freiburg DE

21 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Vorteile gegenüber Konventioneller Solarzellen Photosynthese DSSC Varianten Kommerz Praxis Kostengünstigere & einfachere Produktion Die Leistung verbessert sich mit steigender Temperatur Bifacial Konfiguration: Vorteile für diffuse Lichteinstrahlung Effizienz weniger abhängig vom Einfallswinkel des Lichtes Transparenz: Solarzellen können als Fenstermaterial verwendet werden. Zellfarbe ist variable. Farblose Zellen sind realisierbar basierend auf NIR Sensibilisatoren. Niedriger Energyeinsatz (für Si: 5 GJ/m2!).

22 Zwillings Module aus jeweils 32 in Reihe geschaltener Farbstoffsolarzellen auf dem Dach von 3G Solar inc. in Jerusalem

23 Strom-Spannungs Kennlinie eines Farbsoff Solar-moduls bestehend aus 32 Zellen in voller Sonne gemessen

24 Das erste flexible Produkt aus der flexiblen Farbstoff-Solarzellen Produkion Des anglo-amerikanischen Firma g24 Innovation Cardiff

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26 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

27 Ecole Polytechnique Federale de Lausanne Das erste elektrische Rennauto mit Farbstoffsolarzellen Antrieb Professor Uchida:

28 DSC made by AISIN -SEIKI Das Toyota Traum Haus

29 Ecole Ecole Polytechnique Polytechnique Federale Federale de de Lausanne Lausanne Industrielle Produzenten von Farbstoffsolarzellen Photosynthese DSSC Varianten Kommerz Anbieter Schweiz: Solaronix AG ( Greatcell AG ( Grossbritanien: G24Innovation ( Israel: 3G Solar,Jerusalem ( Korea: Timo-Dyesol Seoul Japan: Sharp, Sony, Peccell, Aisin-Toyota, Fujikura Australien: Dyesol (