Eine Sonne aus farbigen Solarzellen lieferte an der Weltausstellung 2015 in Mailand Strom. Durchsichtige Farbstoffzellen verschönern die Fassade des neuen Kongresszentrums an der EPFL und die Abflughalle des Genfer Flughafens. Erfunden hat die revolutionäre Technik Michael Grätzel, seit 1977 Professor an der EPFL.

Wandeln Lichtenergie in elektrische Energie: rote und orangefarbene Farbstoffsolarzellen.

Seinen 71. Geburtstag feierte Michael Grätzel im Mai an der Weltausstellung Expo 2015 in Mailand und freute sich über ein riesiges Geburtstagsgeschenk: 80 Farbstoff-Solarmodule angeordnet in Form einer Sonne am höchsten Punkt der Ausstellung, ein von weitem sichtbarer Beweis, dass die sogenannten Grätzel-Zellen nun den Durchbruch vom Labor in die praktische Anwendung geschafft haben. «Diese Panele sind nicht nur wunderschön, sie sind auch sehr begehrt», erzählt der EPFL-Professor für Physikalische Chemie.

Die Idee, Sonnenenergie mit Hilfe eines Farbstoffes zu gewinnen, hatte Michael Grätzel vor über 25 Jahren, 1992 liess er seine Erfindung patentieren. Inspiriert hatten ihn die Pflanzen, deren Blattfarbstoff Chlorophyll Licht absorbiert und die Photosynthese ermöglicht. Bei herkömmlichen Solarzellen wandelt ein Halbleiter, meist Silizium, das Sonnenlicht in Strom um. Grätzel-Zellen bestehen aus mehreren Schichten. Ein organischer Farbstoff fängt das Licht ein und setzt dabei Elektronen frei, die über eine poröse Schicht aus winzig kleinen Titandioxid-Partikeln zur negativen Elektrode geleitet werden. Als positive Elektrode dient ebenfalls eine leitende Glasschicht, auf der eine dünne Lage Graphit oder Platin als Katalysator wirkt. So lässt sich im Schulversuch sogar aus Himbeersaft Strom für einen kleinen Ventilator gewinnen.

«Rote Farben für unsere Solarzellen gibt es viele», erklärt Michael Grätzel. Schwieriger gestaltet sich die Entwicklung grüner und blauer Stoffe für industrielle Anwendungen im grossen Massstab. «Daran arbeiten wir zurzeit.» Obwohl der Chemiker die Pensionierungsgrenze überschritten hat, forscht er weiter an der EPFL – mit vertraglicher Zustimmung der Schulleitung, aber ohne Bezahlung. «Wenn man nicht mehr konkurrenzfähig ist, soll man im Ruhestand den Rest des Lebens geniessen. Aber dieser Zeitpunkt ist für mich noch nicht gekommen», sagt der Professor.

2015 kam zu seinen zahlreichen Auszeichnungen der «King Faisal International Science Award» hinzu und damit verbunden grosszügige Forschungsgelder für ein neues Projekt. «Würde ich mich jetzt zurückziehen, wäre das auch eine grosse Enttäuschung für meine Mitarbeitenden und unsere Sponsoren sowie für unsere Industriepartner», meint Michael Grätzel, dessen Arbeiten weltweit über 164 000 Mal zitiert wurden. Damit gehört er zu den Top Ten in der internationalen Rangliste der meistzitierten Chemiker.

Strom auch bei diffusem Licht

Der Vorteil seiner Erfindung: Grätzel-Zellen sind kostengünstig herzustellen; sie können indirektes und diffuses Licht umwandeln und lassen sich auf flexible Folien aufbringen. Probleme dagegen bereiten ein geringer Wirkungsgrad und mangelnde Langzeitstabilität. Doch hier konnten im Laufe der Zeit Verbesserungen erzielt werden, so dass sich Anwendungen inzwischen rentieren. So schmückte die Sonne, bestehend aus Farbstoffzellen mit einer Leistung von rund 16 Kilowatt, den österreichischen Pavillon an der Mailänder Weltausstellung. Produziert wurden die Panele von der Schweizer Firma «Glass 2 Energy» (G2E), einem 2011 gegründeten Start-up-Unternehmen. Dessen Spezialität ist die Glasverkapselung der Module, die eine längere Lebensdauer garantiert. Ähnliche Solarzellen wie an der Expo installierte Glass 2 Energy 2013 an einem Schutzgeländer im Genfer Flughafen. «Es erfüllt mich mit Stolz, wenn ich diese Panele vor dem Abflug auf dem Weg zur Sicherheitskontrolle sehe», sagt Michael Grätzel, der viel auf Reisen ist. Im Herbst 2015 besuchte er Südkorea, wo ebenfalls eine Firma mit der Herstellung durchsichtiger Farbstoffpanele begonnen hat. Eine der ersten Lizenzen zur Anwendung dieser Solartechnik erwarb jedoch das Schweizer Unternehmen Solaronix, das im Jahr 1993 als Spin-off der EPFL gegründet wurde. Solaronix sorgte für besonderes Aufsehen, als es an der Westfassade des neuen EPFL-Kongresszentrums SwissTech Convention Center 65 rote, grüne und orangefarbene Säulen aus Solarzellen montierte.

Die bis zu 15 Meter hohe Installation, die sich über 36 Meter Breite erstreckt, wirft ein warmes Licht in die riesige Eingangshalle und schützt gleichzeitig vor zu starker Sonneneinstrahlung. «Diese Technologie ist führend, wenn es darum geht, Solarzellen vertikal in ein Gebäude zu integrieren und einen Teil des Lichts durchzulassen», erklärt Michael Grätzel. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumzellen ist die Energieausbeute um etwa 50 Prozent grösser, weil die transparenten Panele das Licht selbst dann gut umwandeln, wenn sie nicht optimal nach der Sonne ausgerichtet sind und die Strahlung nur diffus ist. Das Kongresszentrum rechnet mit einer Stromproduktion von jährlich 8000 Kilowattstunden durch die Farbstoffzellen.

Besonders gut eignen sich die Grätzel-Zellen zudem für tragbare Anwendungen, etwa als Folie auf einem Rucksack zum Aufladen des Mobiltelefons. Das «Gratzel Solar Backpack», verziert mit einem Schweizer Kreuz, wurde von einer walisischen Firma erfunden und auf den Markt gebracht. Inzwischen verkauft auch der Computerzubehör-Hersteller Logitech solarbetriebene Tastaturen, die mit Umgebungslicht aufgeladen werden. «Für tragbare Elektronik sieht der Markt besonders vielversprechend aus», so der Erfinder. «Bei den Fassaden ist hingegen der Aufbau der Produktionskapazität das Problem.» Die nötige Automatisation erfordert Millioneninvestitionen, die sich beim weltweiten Ausbau der Solarenergie nach Ansicht des Wissenschaftlers aber durchaus auszahlen werden, selbst in einem Nischenbereich.

Wissenschaft trifft Klassik

So sehr sich Michael Grätzel über die Anwendungen seiner Erfindung freut, seine Leidenschaft bleibt die Wissenschaft: «Der Durst nach Wissen und Neues zu lernen, treiben jeden Forscher an», sagt er. Man müsse neugierig bleiben, aber auch gut beobachten und Versuchsergebnisse richtig beurteilen können. «Man darf das Unerwartete nicht übersehen», nennt er eines seiner Erfolgsrezepte, sonst mache ein anderer die Entdeckung. Dass er vor über 35 Jahren nach Lausanne kam, war Zufall – und auch ein Glücksfall. Geboren in Sachsen studierte er in Berlin, wo er nach einem US-Aufenthalt auch bleiben wollte. Als an der EPFL eine Professur frei wurde, die ihm beste Arbeitsbedingungen bot, packte der junge Forscher zu, lernte in wenigen Monaten Französisch und blieb der Hochschule bis heute treu, trotz einer späteren Berufung an die Hochschule seiner ehemaligen Wahlheimat.

Eine weitere Leidenschaft ist die Musik, die Michael Grätzel gerne zu seinem Beruf gemacht hätte. Schon als Junge spielte er ausgezeichnet Klavier. «Ich habe sogar einmal ein Konzert gegeben», erinnert er sich. «Das Plakat, auf dem mein Name steht, habe ich aufbewahrt.» Dennoch trauert er einer Karriere als Pianisten keineswegs nach: «Mein Bruder Matthias ist Opernsänger», erzählt der Wissenschaftler. Deshalb wisse er, wie schwierig das Leben als Musiker sei und wie gross die Konkurrenz. Für einen Pianisten gar noch schwieriger, als wenn man eine schöne Stimme habe. «Das ist eine Gottesgabe, die man ausbeuten kann. Klavier spielen hingegen kann praktisch jeder erlernen, der ein gewisses Gespür für Musik hat.» In seiner Freizeit begleitet er noch heute einen Violinisten auf dem Piano.

Auch zu Hause beschäftigt ihn seine Erfindung: In seinem Obstgarten installiert er die gleichen Panele, die an der Expo in Mailand Strom für Elektrofahrzeuge lieferten. Mit der gewonnenen Sonnenenergie will der EPFL-Professor sein Elektroauto aufladen. Leider habe sich das Projekt etwas verzögert, erzählt er. Denn die Grätzel-Zellen in seinem Garten sollten nicht mit dem einfach herzustellenden roten Farbstoff gefertigt sein: «Ich wollte grüne Panele, und es gab nicht genügend grüne Farbe.» Für den Forscher bleibt also noch genug zu tun.