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Photovoltaik-ForschungFlexible PV-Kunststoffzellen dank Chemie

Forscherin hält ein Stück leuchtendes gebogenes Kunstoff in der Hand
Doktorandin Svenja Pohl mit einem farbigen Solarkonzentrator. (Foto: Universität des Saarlandes/Oliver Dietze)

Ein neuer Kunststoff eignet sich als lumineszierender Solarkonzentrator. Die Sonnenstrahlung wird durch eingebettete Farbstoffe aufgefangen, die enthaltenen Elektronen angeregt, an den Rändern wandeln Mikrosolarzellen das Licht in Strom um.

24.04.2023 – Noch ist das Verfahren nur im Forschungslabor erprobt, dennoch ein weiterer Schritt auf dem Weg zur zukünftigen Stromerzeugung. Die Neuheit kommt aus der Chemie und ist ein Kunststoff. Die Universität des Saarlandes und die Universität Pisa haben das entwickelte Material nun erstmals für flexible Solarkonzentratoren eingesetzt.

„Durch Einbettung von fluoreszierenden Farbstoffen gelingt es uns, langzeitstabile optische Elemente zu erzeugen, die farbig sind und beim Auftreffen von Licht an den Seiten stark leuchten“, erklärt Guido Kickelbick, Professor für Anorganische Festkörperchemie an der Universität des Saarlandes. Das Phänomen ist von Designelementen aus dem Garten bekannt. Dort gibt es flache Skulpturen, die nahezu transparent sind und an den Rändern stark fluoreszieren.

Das Funktionsprinzip hinter dieser Technologie ist, dass ein Farbstoff, der in Kunststoff eingebettet ist, durch bestimmte Wellenlängen des sichtbaren Lichts angeregt wird. Dabei werden Elektronen im Farbstoff auf höhere Energieniveaus angeregt; beim Zurückfallen in den Grundzustand schließlich wird Licht einer längeren Wellenlänge emittiert, welches an den Rändern des Kunststoffkörpers aufkonzentriert wird.

Bringt man an den Kanten kleine Solarzellen an, so lässt sich Strom erzeugen. Dieses Prinzip funktioniert selbst mit diffusem Licht in der Dämmerung. „Bisher war es lediglich möglich, solche Bauelement aus hartem Plastik, wie zum Beispiel Plexiglas, zu erzeugen. Unser Material, welches aus einem speziell vernetzten Silikonharz besteht, ermöglicht nun auch flexible Bauelemente“, erläutert Kickelbick. Aufgrund der chemischen Eigenschaften des in Saarbrücken synthetisierten Materials zeigen die Bauelemente eine hohe Umwandlungsleistung und eine hohe Lebensdauer, was sie für Außenanwendungen prädestiniert.

Die Eigenschaften der Farbstoff-Silikonharz Mischungen wurden an der Universität Pisa in der Arbeitsgruppe von Professor Andrea Pucci untersucht. Mit lumineszierenden Solarkonzentratoren ist selbst an Standorten mit einer hohen indirekten Strahlung eine Nutzung des konzentrierten Sonnenlichts möglich, auch wenn die Effizienz nur gering ist. Sie liegt im optimalen Fall nur bei wenigen Prozent.

Dennoch stellen die Elemente eine interessante Ergänzung zu herkömmlichen Photovoltaikelementen dar. Die bunten, transparenten und lichtdurchlässigen Solarkollektoren können aufgrund der ansprechenden Optik direkt in Gebäudestrukturen integriert werden. Bisher wurden lediglich rote Farbstoffe für die Einbettung verwendet, aber in Zukunft sind auch weitere Farben geplant. pf
 


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