Grätzels TiO2-Schwamm ließ eine einzige Moleküllage Farbstoff eine Solarzelle mit 7 % Wirkungsgrad entstehen

Im Jahr 1991 begann der Nature-Artikel mit einer ernüchternden Zahl: Strom aus kommerziellen Solarzellen kostete etwa zehnmal mehr als konventionelle Erzeugung. Die Farbstoffsensibilisierung war eine alte Idee – Chlorophyll auf einer Zinkoxid-Elektrode hatte bereits Anfang der 1970er Jahre die Umwandlung von Photonen in Elektrizität gezeigt –, doch eine flache Elektrode trägt nur eine Monolage Farbstoff, die etwa 1 % des einfallenden Lichts absorbiert. Der gesamte Ansatz schien aussichtslos.

Brian O'Regan und Michael Grätzel, die die Arbeit 1988 gemeinsam an der UC Berkeley begonnen hatten, änderten die Geometrie statt die Chemie. Sie stellten einen 10 µm dicken, optisch transparenten Film aus Titandioxid-Partikeln von wenigen Nanometern Durchmesser her, der zu einem Schwamm mit etwa 1.000-facher Oberfläche gesintert und dessen innere Oberfläche mit einer einzigen Monolage eines Ladungstransfer-Farbstoffs beschichtet wurde. Diese eine Moleküllage erntete nun 46 % des einfallenden solaren Energieflusses, injizierte Elektronen mit über 80 % Photonen-zu-Strom-Effizienz in das Leitungsband des TiO2 und wurde durch einen Iodid-Elektrolyten regeneriert.

Die Zelle wandelte 7,1–7,9 % simulierten Sonnenlichts um – für 1991 kommerziell realistisch – sowie 12 % des diffusen Tageslichts, hielt Ströme über 12 mA/cm² aufrecht und überstand mindestens fünf Millionen Umsätze ohne Zersetzung. Da die Elektronen durch das Volumen-Leitungsband statt über Grenzflächen wandern, konnte der Halbleiter von geringer Reinheit und billig sein: Die eigene Formulierung des Artikels beschrieb eine Zelle, die „aus Materialien geringer bis mittlerer Reinheit durch kostengünstige Verfahren hergestellt“ wurde.

Lichtabsorption vom Ladungstransport entkoppeln

Die Silizium-Photovoltaik schloss sich selbst aus der Massenerzeugung aus, weil ultrareine Kristalle und Verarbeitung in Verbindungsqualität die Kosten dominierten; die Farbstoffzelle war darauf ausgelegt, billige, unvollkommene Materialien zu tolerieren.

Der Engpass war die Absorption, nicht die Chemie: Eine Monolage fängt nur begrenzt Licht ein, daher behob eine tausendfache Oberflächenvergrößerung zwei Jahrzehnte des Scheiterns ohne einen neuen Farbstoff.

Die Ladungstrennung erfolgt in dem Moment, in dem der Farbstoff ein Elektron in das Leitungsband des TiO2 injiziert, noch vor der Rekombination – die Physik, die es einem molekularen Bauelement ermöglicht, mit einem p-n-Übergang zu konkurrieren.

Der Iodid-Elektrolyt stellt den gebleichten Farbstoff kontinuierlich wieder her, sodass die Stabilität aus der Regenerationschemie kam: fünf Millionen Umsätze pro Molekül statt Photodegradation.

Wenn eine Komponente teuer oder empfindlich ist, entkopple ihre Aufgabe von der der Struktur: Eine Ein-Molekül-Lage absorbiert, billiges Volumenmaterial leitet. Nanoskalige Rauheit macht aus dieser Entkopplung ein Bauelement.

Der Artikel von 1991 wurde einer der meistzitierten in der Photovoltaik (27.000 Zitate auf der Nature-Seite selbst) und begründete ein weltweites Feld der Grätzel-Zellen. Er verdrängte Silizium in Kraftwerken nicht – Elektrolytstabilität und die für die Gebäudeintegration geforderte 25-jährige Lebensdauer blieben schwierig, sodass sich kommerzielle DSSCs in Nischen wie tragbaren Ladegeräten und Ladegeräten für Innenraumlicht einrichteten. Sein tiefstes Vermächtnis ist architektonischer Natur: Perowskit-Solarzellen, die sich am schnellsten verbessernde Photovoltaik-Technologie der 2010er Jahre, begannen als Perowskit-„Farbstoffe“, die auf denselben mesoporösen TiO2-Schwamm aufgetragen wurden.