Medienmitteilung der Universität Basel vom 02.05.2012

Nach Fukushima wird die Notwendigkeit von Alternativen zur Kernenergie immer deutlicher. Viele Technologien werden gegenwärtig intensiv erforscht, wobei oft vernachlässigt wird, wie nachhaltig die verwendeten Materialien sind. Ein Prozess jedoch, der auf teuren und seltenen Rohstoffen basiert, wird sich in der Massenproduktion kaum durchsetzen. Chemiker der Universität Basel beschreiben nun in der angesehenen Fachzeitschrift «Chemical Communications» einen wegweisenden Ansatz zum Bau günstiger und nachhaltiger Farbstoff-Solarzellen auf der Basis von Zink – eines der häufigsten Elemente in der Erdkruste.

Farbstoff-Solarzellen oder DSC (Dye-sensitized Solar Cells) bestehen aus dem Halbleiter Titandioxid, auf dem ein Farbstoff verankert ist. Dieser Farbstoff absorbiert Sonnenlicht und überträgt Elektronen an den Halbleiter, wodurch ein Stromfluss entsteht. Den Forschern Nik Hostettler und Ewald Schönhofer aus der Gruppe der Professoren Edwin Constable und Catherine Housecroft an der Universität Basel sind nun zwei Durchbrüche gelungen: Erstens haben sie eine neue Strategie zur Herstellung und Verankerung von Farbstoffen an der Oberfläche von Titandioxid-Nanopartikeln entwickelt und zweitens konnten sie erstmals zeigen, dass dazu einfache Verbindungen des reichlich verfügbaren Metalls Zink verwendet werden können. Laut der Projektleiterin Dr. Biljana Bozic war entscheidend, ein Verfahren für die gleichzeitige Synthese des Farbstoffs und dessen Verankerung auf der Halbleiteroberfläche zu entwickeln.

Bunte Farbstoffe aus grauem Zink

Die Entdeckung, dass Zinkfarbstoffe zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden können, war äusserst unerwartet. Laut Prof. Edwin Constable wird Zink von den meisten Chemikern als eher «langweiliges» Element angesehen, da die meisten seiner Verbindungen farblos sind. Bei Forschungsarbeiten im Hinblick auf neuartige Beleuchtungssysteme hatten er und sein Team organische Verbindungen entdeckt, die an Zink gebundenneuartige, intensiv-farbige Materialien bilden. Obwohl die mit farbigen Zinkverbindungen bestückten Solarzellen noch nicht besonders effizient arbeiten, öffnet diese Beobachtung den Weg für eine neue Generation von Solarzellen, die mit bisher unberücksichtigten Farbstoffen arbeiten.

Herkömmliche Farbstoff-Solarzellen verwenden Farbstoffe auf der Basis von Ruthenium. Ruthenium ist ein sehr seltenes Metall und mit rund 3’500 Franken (2990 Euro) pro Kilogramm entsprechend teuer. Kürzlich demonstrierte das Basler Forscherteam die Leistungsfähigkeit von Farbstoffen aus dem reichlich vorkommenden und relativ günstigen Kupfer (7,5 Fr./6,3 Euro pro Kilogramm). Durch die Verwendung von billigem Zink (1,8 Fr./1,5 Euro pro Kilogramm) erhöht sich die Nachhaltigkeit der Technologie zusätzlich. «Dies ist ein bedeutender Schritt in Richtung unseres Traums, Photovoltaik und Beleuchtung in intelligenten Vorhängen zu verbinden, die tagsüber Sonnenenergie speichern und nachts als Beleuchtungselemente dienen», so Ed Constable. «Dieses Vorhaben steht im Zentrum unseres Forschungsprogramms „Light-In, Light-Out“, das vom Europäischen Forschungsrat ERC finanziert wird.»

Originalbeitrag:
Biljana Bozic-Weber, Edwin C. Constable, Nik Hostettler, Catherine E. Housecroft, Ralf Schmitt and Ewald Schönhofer
The d10 route to Q1 dye-sensitized solar cells: step-wise assembly of zinc(II) photosensitizers on TiO2 surfaces
Chemical Communications (2012) | doi: 10.1039/c2cc31729j

Externer Link: www.unibas.ch

Presseaussendung der JKU Linz vom 04.04.2012

Eine Revolution im Bereich der flexiblen organischen Solarzellen hat eine Kooperation von Wissenschaftern der Johannes Kepler Universität Linz und der Universität Tokio (Japan) erbracht. Den Forschern gelang die Entwicklung von extrem flexiblen, dünnen und dennoch leistungsfähigen Zellen. Das Ergebnis wurde nun in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Das besondere an den neuen Solarzellen: Die aktiven, energieerzeugenden Elemente machen 1/3 der Zelle aus, das darunter liegende Substrat, vorwiegend Plastikfolie, nimmt nur noch 2/3 der Zelle in Anspruch. Bei herkömmlichen Solarzellen dieser Bauart machte das Substrat bisher noch mehr als 99 Prozent der Zelle aus. „Damit ist uns bei organischen Solarzellen ein Rekord gelungen“, freut sich Dr. Martin Kaltenbrunner vom Institut für Experimentalphysik. „Die neuen Zellen erzeugen bereits 10 Watt pro Gramm – das ist weltweit unerreicht.“ Der junge Forscher hat mit seinen Kollegen Dr. Matthew White und Eric Glowacki unter der Leitung der Professoren Takao Someya, Niyazi Serdar Sariciftci und Siegfried Bauer damit neue Maßstäbe gesetzt.

High-Tech im Mikrometer-Bereich

Zwar können organische Solarzellen nach wie vor nicht mit der Leistung von Silizium-basierten Systemen mithalten. „Aber ihr Vorteil liegt im unschlagbaren Leistungs/Gewichtsverhältnis.“ Vier Gramm wiegt das Solarzellen-System – und das pro Quadratmeter. Kein Wunder: Die Zellen sind nur zwei Mikrometer dünn – „wie Spinnfäden“, erklärt Kaltenbrunner. Und es geht noch weiter: Wird die Solarzelle auf Gummi aufgebracht, ist sie sogar dehnbar.

Viele Anwendungsbereiche

Anwendung finden können die ultraleichten Solarzellen in der Robotik, bei synthetischer Haut oder auf E-Textilien. „Bei all diesen Bereichen kommt es darauf an, dass die Zellen nicht nur leistungsfähig, sondern auch leicht und flexibel sind. An vielen Dingen kann man starre Zellen gar nicht anbringen“, so Kaltenbrunner. Auch an Nachfolgeprojekten wird an der JKU bereits geforscht: „Das grundsätzliche System ist auch für elektrische Schaltkreise anwendbar. Das ist für die Industrie natürlich enorm interessant“, weiß Kaltenbrunner um die Bedeutung der innovativen Forschungsarbeit für die Wirtschaft. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Presseinformation der Universität Innsbruck vom 20.03.2012

Methanol, Wasser und ein Kupfer-Zink-Katalysator: Mit diesen einfachen Zutaten könnte kostengünstig kohlenmonoxidfreier Wasserstoff gewonnen und damit Brennstoffzellen betrieben werden. Mit der Identifizierung jener Kupfer-Zink-Phase, mit der besonders sauberer Wasserstoff entsteht, nahmen Forscher vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck eine wichtige Hürde auf dem Weg zur zukunftsweisenden Energienutzung. Kürzlich berichteten sie darüber im Fachjournal Angewandte Chemie.

Wasserstoff (H2) als Bestandteil des Wassers und häufigstes Element im Universum würde sich als nahezu unerschöpflicher Energieträger anbieten. Das farb- und geruchlose Gas ist allerdings auch hochentzündlich und bildet unter anderem bei Kontakt mit Sauerstoff ein hochexplosives Gemisch. Um Probleme und Risiken bei Lagerung und Transport zu umgehen, müssen effiziente und nachhaltige Wege gefunden werden, chemisch gebundenen Wasserstoff in der jeweiligen Anwendung verfügbar zu machen. Als vielversprechender Wasserstofflieferant für mobile Anwendungen hat sich in den letzten Jahren Methanol (CH3OH) herauskristallisiert: Aus diesem einfachen Alkohol kann in einem Katalysator durch die sogenannte Methanoldampfreformierung einfach und rasch Wasserstoff erzeugt werden. Der Optimierung dieses Verfahrens, in dem Methanol mit Wasser reagiert, widmet sich im Rahmen eines FWF-Projekts seit 2008 die Arbeitsgruppe rund um Bernhard Klötzer am Institut für Physikalische Chemie der Universität Innsbruck. „Bei der Gewinnung von Wasserstoff aus Methanol wollen wir möglichst viel H2 hoher Reinheit bekommen, müssen dabei aber die Produktion von Kohlenmonoxid vermeiden, da dieses die Elektroden der Brennstoffzellen blockiert, was in der Praxis nicht passieren darf“, schildert Bernhard Klötzer die große Herausforderung, die sich stellt wenn das Reformier-Verfahren in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen eingesetzt werden soll. Diese Brennstoffzellen können in mobilen Anwendungen wie etwa in Kraftfahrzeugen, U-Booten, Raumschiffen oder Akkuladegeräten für unterwegs zur Anwendung kommen.

Praxistauglichkeit als Herausforderung

Die idealen Voraussetzungen für die Wasserstoffgewinnung an einem Palladium-Zink-Katalysator konnten die Forscher bereits vor zwei Jahren zeigen. Jetzt haben sie die Reaktion an einem – wesentlich kostengünstigeren – Kupfer-Zink-Katalysator untersucht. „Es gibt viele Systeme, die zur Diskussion stehen. Aus der Sicht der Grundlagenforschung ist der Palladium-Zink-Katalysator aufgrund seiner thermischen Stabilität besonders geeignet, aber andererseits sehr teuer. Wenn es um die reale Anwendung geht, kommen nicht nur technische, sondern auch Kostenfragen ins Spiel“, verdeutlicht Klötzer. Aus diesem Grund gilt sein Interesse aktuell der Methanoldampfreformierung in den kostengünstigeren Kupfer-Zink-Katalysatoren. Diese sind eigentlich für die Umkehrreaktion, also die Methanolsynthese, konzipiert und kommen in der Industrie bereits zum Einsatz. „Was in die eine Richtung gut funktioniert, funktioniert im Prinzip auch in die Gegenrichtung, allerdings erfordert die Reformieranwendung wesentlich höhere Temperaturen und einen erhöhten Wasserdampfdruck. Der industrielle Methanolsynthese-Katalysator ist daher in der Reformieranwendung nicht stabil“, erläutert der Forscher. Mit seiner Arbeitsgruppe klärt er die Grundlagen und Voraussetzungen, unter denen die Reformierung stabil und selektiv funktioniert.

Zinkgehalt entscheidend für Wasserstoffgewinnung

Geforscht wird zu diesem Zweck an einem Modellkatalysator, der aus einer hochreinen Kupferfolie besteht, auf die wenige Atomlagen Zink aufgedampft werden. Das Wichtige ist dabei, dass die exakt richtige Menge Zink verwendet wird. „Wenn zu viel Zink verwendet wird, bildet sich eine flächendeckende Schicht aus Zinkoxid, die inaktiv ist“, erklärt Klötzer. Am Modellkatalysator war es den Forschern in Zusammenarbeit mit dem Fritz-Haber-Institut in Berlin möglich, am Synchrotron BESSY II spektroskopische Analysen der Oberfläche unter Reformierbedingungen durchzuführen – ein entscheidender Vorteil zu realen, technischen Katalysatoren. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den Oxidationszustand und Verteilung des Zinks „life“ beobachten. „Unter Reaktionsbedingungen hat sich gezeigt, dass sich auf einem Teil der Katalysatoroberfläche Zinkoxid-Inselchen gebildet haben, daneben jedoch immer noch eine Kupfer-Zink-Bimetall-Oberfläche existierte. Genau in diesem Moment der Koexistenz steigt die Aktivität des Katalysators um den Faktor 1000, die Wasserstoffproduktion ist, aufgrund der Fähigkeit der Metall-Oxid-Grenzfläche, Wasser zu spalten, genau in dieser Phase besonders effizient“, hebt er ein zentrales Ergebnis der Forschungsarbeit hervor, die für das Verständnis der Methanoldampfreformierung einen entscheidenden theoretischen, aber auch praktischen Schritt bedeutet. „Die Wasserspaltung ist generell für viele künftige Anwendungen in der Energietechnik ein wichtiges Thema“, ist Klötzer überzeugt.

Publikation:
C. Rameshan, W. Stadlmayr, S. Penner, H. Lorenz, N. Memmel, M. Hävecker, R. Blume, T. Rocha, D. Teschner, D. Zemlyanov, A. Knop-Gericke, R. Schlögl, B. Klötzer,  Hydrogen Production by Methanol Steam Reforming on Copper Boosted by Zinc-Assisted Water Activation, Angew. Chem. Int. Ed. 51 (2012) 3002-3006.

Externer Link: www.uibk.ac.at