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Sonnenkonzentrat-Folie steigert solaren Wirkungsgrad

Leuchtende Folie nach Anregung mit blauem Licht. (Foto: © TU Braunschweig/Alexander Pieper)
Leuchtende Folie nach Anregung mit blauem Licht. (Foto: © TU Braunschweig/Alexander Pieper)

Forscher der TU Braunschweig sind auf dem Weg zu hocheffizienten Photovoltaiksystemen einen Schritt vorangekommen. Mit einer farbigen Sonnenkonzentrat-Folie soll ein Wirkungsgrad bis zu 45 Prozent kostengünstig möglich werden. Vorbild war die Natur.

Forscher der TU Braunschweig sind auf dem Weg zu hocheffizienten Photovoltaik­systemen einen Schritt vorangekommen. Mit einer farbigen Sonnenkonzentrat-Folie soll ein Wirkungsgrad bis zu 45 Prozent kostengünstig möglich werden. Vorbild war die Natur.

20.02.2018 – Bei trübem Wetter an Hausfassaden Solarstrom satt produzieren, das Elektroauto lädt sich auch im Schatten mit Solarstrom: Die Herausforderung bei der Stromerzeugung durch Solarzellen besteht vor allem darin, deren Effizienz mit möglichst niedrigem Energie- und Ressourceneinsatz zu steigern. Am Wirkungsgrad von Solarzellen – also dem Verhältnis zwischen der eingesetzten Energie und der Nutzenergie – tüfteln Forscher weltweit, immer wieder werden neue Rekorde berichtet. Das Potenzial der derzeit üblichen Siliziumphotovoltaik-Anlagen mit einem Wirkungsgrad von 25 Prozent sei praktisch ausgereizt, meint Chemie-Professor Peter Jomo Walla von der TU Braunschweig, selbst der theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad liege stoffbedingt bei nur 29 Prozent.

Das Forscherteam um Prof. Walla hat daher eine neue Kunststoff-Folie entwickelt, die mit Farbstoffen gespickt und kostengünstig ist. Davon berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications. Sie soll das Sonnenlicht großflächig einfangen und auf kleine Hochleistungssolarzellen lenken – und dabei sehr viel effizienter als bisherige Solarzellen sein. Statt Silizium nutzen die Forscher andere Verbindungen wie Gallium oder Indium – die sind erstmal teurer, aber auch effizienter. Kombiniert man sie mit einem großflächigen, kostengünstigen und gleichzeitig effektiven Lichtsammelsystem, der neu entwickelten Kunststofffolie, könnte man insgesamt einen Wirkungsgrad von bis zu 45 Prozent erreichen, so die Vision der Wissenschaftler.

Ähnlich wie bei der Photosynthese

Um Sonnenlicht zu sammeln und auf die Solarzellen zu konzentrieren kommen bereits optische Linsen zum Einsatz. „Leider funktionieren die aber nur mit direkter Sonneneinstrahlung“, sagt Walla. „Bei diffusem Licht, bewölktem Himmel und im Schatten liefern diese Systeme kaum noch Strom.“ Das soll sich mit der Kunststofffolie ändern. Die Forscher arbeiten dabei mit fluoreszierenden Farbstoffmolekülen, die Licht schlucken und wieder abgeben können. Da diese Moleküle in der Regel kreuz und quer durcheinanderliegen, etwa in einer Kunststoffmatrix, so beschreiben es die Forscher, treffe praktisch jeder Lichtstrahl auf ein im passenden Winkel liegendes Teilchen. „Das Licht, das sie nach der Absorption wieder aussenden, findet allerdings nicht immer den Weg zur Solarzelle“, so die Studie, die Verluste seien daher recht hoch. „Nur ein kleinerer Teil wird letztlich in Strom verwandelt“, erklärt Walla.

In der Lösung dieses Problems lag die Aufgabe der Forscher. Sie zogen die farbstoffhaltigen Folien in eine Richtung in die Länge; dabei richten sich bestimmte Farbstoffmoleküle parallel zueinander aus und zwar so, dass sie den größten Teil des von den ungeordneten Teilchen gesammelten Lichts aufnehmen und auf die Solarzelle umlenken können. Die Effizienz dabei sei hoch, so Walla, die Verluste bisheriger Systeme könnten enorm verringert werden. Als Vorbild aus der Natur stand der Vorgang der Photosynthese, denn der Vorgang sei mit Lichtsammelsystemen in Pflanzen vergleichbar. Bei Photosynthese fangen Farbstoffe das Licht ein und lenken es zur Energiewandlung an geeignete Reaktionszentren weiter.

Im nächsten Schritt will das Forscherteam weitere Farbstoffe testen, die andere Wellenlängen schlucken, zudem wolle man stabilere Farbstoffteilchen finden. Denn die Farbstoffe, die sie derzeit einsetzten, seien noch viel zu instabil, um sie großflächig zu verwenden, räumen die Forscher ein, die Moleküle zersetzten sich unter Licht noch recht schnell. . Derzeit werden in Zusammenarbeit mit dem Kavli Energy Nanoscience Institute der University of Berkeley. daher Farbstoffe getestet, die etwa in Monitor-Displays zum Einsatz kommen.

Bis zur praktischen Anwendung werde es also noch eine ganze Zeit lang dauern, so Walla. Doch das Feld der Solarenergie habe noch großes Potenzial, die schier unendliche Kraft der Sonne werde noch lange nicht ausreichend zur Energieerzeugung genutzt. Mit der neuen Folie haben die Forscher der TU Braunschweig nun erstmal bewiesen, dass das für den blau-grünen Spektralbereich funktioniert. Wenn einmal das gesamte Spektrum des Sonnenlichts abgedeckt werden könnte, wären die Anwendungsmöglichkeiten enorm, so Walla. „Mich fasziniert unter anderem die Möglichkeit von selbstladenden Autos. Dort haben wir es mit wenig Fläche und schattigen oder diffus gestreuten Lichtbedingungen zu tun. Für solche Anwendungen wäre es phantastisch, hohe Effizienzen zu haben und trotzdem noch einigermaßen bezahlbar zu bleiben.“ Auch farbige Hausfassaden wären vorstellbar. Ziel der Forschung ist eine hocheffiziente, großflächige und zugleich günstige Solarstromversorgung.


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