Chitosan in Farbstoff-sensitiven Solarzellen

Biopolymere wie Chitosan bekommen immer mehr Aufmerksamkeit als Polymerelektrolyte in Farbstoff-sensitiven Solarzellen. Da Chitosan unter einer geringen elektrischen Leitfähigkeit leidet, soll in der vorgestellten Studie versucht werden, diese durch Salze und Weichmachern zu verbessern.

Farbstoffsensitive Solarzelle auf Basis von einem Biopolymerelektrolyt mit Chitosan

Majumdar, Simantini & Mondal, Archita & Mahajan, Ankita & Bhattacharya, Swapan & Ray, Ruma. (2023). Dye-sensitized solar cell employing chitosan-based biopolymer electrolyte. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 1291. 012014. doi: 10.1088/1757-899X/1291/1/012014

Durch den weltweiten Verbrauch von fossilen Brennstoffen und einer zunehmenden Umweltverschmutzung sind grüne, nachhaltige und hocheffiziente Träger zum Speichern und Umwandeln von elektrischer Energie notwendig.

Interessant sind dabei Farbstoff-sensitive Solarzellen (kurz DSSCs). Bei DSSCs handelt es sich um Photovoltaik Zellen, die mit Hilfe eines Farbstoffes sichtbares Licht in elektrische Energie umwandeln. Grundsätzlich bestehen DSSCs aus einem Nanokristallinen Halbleiterfilm mit breiter Bandlücke, einem Ruthenium-Farbstoffkomplex, einer transparent-leitenden Halbleiterelektrode, einem Redoxpaarelektrolyten z.B. I^-/I₃^- , sowie einer Gegenelektrode. Durch Anregung des Farbstoffes im sichtbaren Licht wird ein Elektron herausgelöst, über das leitende Glassubstrat zur Gegenelektrode weitergeleitet um dort I₃^- zu I^- zu reduzieren. I^- wird wiederum genutzt um die entstandene Elektronenlücke am Farbstoff aufzufüllen. Insgesamt haben DSSCs den Vorteil von geringen Herstellungskosten und einer einfacheren Struktur im Vergleich zu den herkömmlichen Silikonbasierten Photovoltaikgeräten.

Die Nutzung von Polymerelektrolyten in DSSCs gewinnen immer mehr an Popularität durch ihre guten elektrochemischen Eigenschaften und verbesserte Sicherheit. Biopolymere wie z.B. Stärke, Cellulose oder Chitosan sind dabei besonders interessant durch ihre gute Bioabbaubarkeit, nicht-toxischen Eigenschaften, Kosteneffizienz und Verfügbarkeit. Chitosan ist dabei im Fokus durch seine polaren Hydroxyl- und Amingruppen, leidet aber an einer geringen elektrischen Leitfähigkeit. Verbessert werden kann diese aber durch die Zugabe von ionischen Salzen und Weichmachern wie Litiumperchlorat (LiClO₄) und Ethylencarbonat.

Ziel der nachfolgenden Studie soll es sein die Leitfähigkeit und Elektronentransporteigenschaften von einem Chitosan-basierten Biopolymerelektrolyten zu verbessern mit unterschiedlichen Litiumperchlorat (LiClO₄) und Ethylencarbonat-Konzentrationen. Dazu wird eine farbstoffsensibilisierte Solarzelle (DSSC) mit Zinkoxid (ZnO)-Nanopartikeln als Halbleitermaterial, dem Farbstoff Rose Bengal (RB) als Photo-sensible Substanz und einem Biopolymer-Elektrolyten auf Chitosan-Basis aufgebaut, charakterisiert und Energieumwandlungseffizienz geschätzt.

ERGEBNISSE

• Erfolgreiche Synthese von ZnO-Nanopartikeln mit einer Größe von 58 nm und einer Bandlücke von 3,32 eV
• Ionische Leitfähigkeit des Biopolymerelektrolyten steigt mit steigender LiClO₄-Konzentration → mit 80 % wt am höchsten (~10^-5 S/cm), LiClO₄ spielt signifikante Rolle für Erhöhung der Leitfähigkeit
• Weiter verbessert durch Zugabe von Ethylencarbonat→ 45 % wt am höchsten (~10^-4 S/cm), danach Abnahme der ionischen Leitfähigkeit
• Analyse der Elektronentransporteigenschaften mittels Ramanspektroskopie → maximale Mobilität und maximale Anzahl an Ladungsträgern bei 80 % wt LiClO₄ und 45 % wt Ethylencarbonat
• Nachweis der Photovoltaischen Aktivität der DSSC mittels linearer Abtastvoltammetrie

Schlussfolgerungen: Die Zugabe von ionischen Salzen und Weichmachern kann die elektrische Leitfähigkeit von Chitosan als Polymerelektrolyt verbessern. Zudem konnte eine photovoltaische Aktivität in der hergestellten DSSC nachgewiesen.  

Link zum Artikel: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/1291/1/012014