Photovoltaik der dritten Generation: Nanostrukturen auf Glasfaser ermöglichen „versteckte“ Solarzellen

Um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln, sind künftig nicht unbedingt große Photovoltaik-Module auf ebenen Oberflächen wie z. B. Dächern erforderlich, berichtet das Georgia Institute of Technology in einer Pressemitteilung. Mit Zinkoxid-Nanostrukturen, die auf Glasfasern gezüchtet und mit Farbstoffsolarzellen-(FSZ)-Material beschichtet werden, hätten Forscher des Instituts ein neuartiges dreidimensionales Photovoltaik-System entwickelt. Dieser Ansatz könnte es ermöglichen, Solarstrom-Anlagen zu verbergen und nicht nur an gängigen Stellen wie Dachflächen anzubringen. „Mit dieser Technologie können wir faltbare, verdeckte und mobile Photovoltaik-Anlagen herstellen“, sagte Zhong Lin Wang, Regents-Professor an der Georgia Tech School of Materials Science and Engineering.
„Glasfasern könnten das Sonnenlicht in die Mauern von Gebäuden leiten, wo die Nanostrukturen es in Solarstrom umwandeln. Das wäre eine echte, dreidimensionale Solarzelle.“ Forschungsdetails wurden am 22. Oktober 2009 im Vorabdruck der Zeitschrift Angewandte Chemie International veröffentlicht. Sponsoren waren die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), KAUST Global Research Partnership und die National Science Foundation (NSF).

Neue Möglichkeiten zur Integration von Photovoltaik in Gebäude und Fahrzeuge
Farbstoff-Solarzellen (dye-sensitized solar cells; DSC) nutzen photochemische Reaktionen, um Strom zu erzeugen. Sie sind günstig herzustellen, biegsam und robust, haben aber bei einem niedrigeren Preis einen geringeren Wirkungsgrad als Solarzellen auf Siliziumbasis. Wenn Nanostruktur-Generatoren auf größeren Oberflächen eingesetzt werden, könnte dies dazu beitragen, den niedrigeren Wirkungsgrad auszugleichen, und zudem Architekten und Planern neue Möglichkeiten eröffnen, Photovoltaik in Gebäude, Fahrzeuge und sogar Militärausrüstung zu integrieren, erklärt das Institut.

Nanodraht- und Glasfasersystem soll bis zu sechs Mal so ergiebig sein wie flache FSZ
Die Herstellung des neuen Georgia Tech PV-Systems beginnt mit Glasfasern, wie sie in der Telekommunikation zum Datentransport eingesetzt werden. Zunächst entfernen die Forscher die äußere Schicht und tragen eine leitfähige Beschichtung auf die Faseroberfläche auf, bevor Zinkoxid aufgebracht wird. Als nächstes nutzen sie bewährte Techniken, um axial ausgerichtete Zinkoxid-Nanodrähte um die Fasern herum zu züchten, ähnlich der Borsten einer Flaschenbürste. Die Nanodrähte werden dann mit den FSZ-Materialien beschichtet, die aus Licht Strom erzeugen.
Das Sonnenlicht, das in die Glasfaser eindringt, wird in die Nanodrähte weitergeleitet, wo es mit den Farbstoff-Molekülen reagiert und elektrischen Strom produziert. Eine Elektrolytlösung zwischen den Nanodrähten sammelt die elektrische Ladung. Das Ergebnis ist eine Mischung aus Nanodraht- und Glasfasersystem, das laut Georgia Institute of Technology bis zu sechs Mal so ergiebig sein kann wie flache Zinkoxid-Zellen mit der selben Oberfläche. „Bei jeder Reflexion innerhalb der Glasfaser hat das Licht die Möglichkeit, mit den Nanostrukturen zu reagieren, die mit den Farbstoff-Molekülen beschichtet sind“, erklärte Wang. „Es gibt zahlreiche Lichtreflexionen innerhalb der Faser und der Nanostrukturen. Dieses Zusammenspiel erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Licht mit den FSZ-Molekülen interagiert, und das erhöht wiederum den Wirkungsgrad.“ Wang und sein Forschungsteam haben nach eigenen Angaben einen Wirkungsgrad von 3,3 % erreicht und hoffen, nach Veränderung der Oberfläche auf 7 bis 8 % zu kommen. Das wäre zwar immer noch weniger als die Effizienz von Silizium-Solarzellen, könnte aber in der Praxis zur Energiegewinnung genutzt werden.

Stattliche Solarstromerträge auch bei schwachem Licht
„Indem sie es ermöglicht, Licht auf einer größeren Fläche einzufangen, würde diese Technik sowohl die Strommenge maximieren, die bei starker Sonneneinstrahlung gewonnen wird, als auch bei schwachem Licht stattliche Stromerträge erzielen. Die Lichtmenge, die in die Glasfaser eindringt, könnte auch dadurch erhöht werden, dass man das einfallende Licht mit Linsen bündelt, damit würde die Glasfaser-Solarzelle sehr viel Sonnenstrahlung aufnehmen“, ergänzte Wang. Er ist überzeugt, dass Architekten und Produktdesigner diese alternative PV-Ausführung in weitere Anwendungen integrieren können.

Glasfaser-Solargeneratoren: „je länger, desto besser“
„Das eröffnet wirklich neue Möglichkeiten für PV-Anlagen“, betonte Wang. „Wir könnten auf diese Weise die ästhetischen Probleme von PV-Modulen auf Gebäuden umgehen. Wir können uns auch Photovoltaik-Systeme zur Stromversorgung parkender Autos vorstellen, oder zum Laden mobiler Militärausstattung, wenn herkömmliche Module unpraktisch sind oder man sie nicht einsetzen will.“ Wang und sein Forschungsteam, darunter Benjamin Weintraub und Yaguang Wei, haben bis zu 20 cm lange Glasfaser-Solargeneratoren produziert. „Je länger, desto besser“, sagte Wang, „denn je länger das Licht durch die Glasfaser unterwegs ist, desto öfter prallt es auf, und desto besser wird es absorbiert.“
Bisher wurden herkömmliche Quarzfasern benutzt, aber Wang würde gerne billigere Polymer-Fasern einsetzen, um Kosten zu senken. Er zieht auch andere Verbesserungen in Betracht, wie z. B. eine optimierte Methode, um die Ladung zu sammeln und eine Titanoxid- Oberflächenbeschichtung, die den Wirkungsgrad noch steigern könnte. Obwohl sie für große PV-Anlagen benutzt werden könnten, erwartet Wang nicht, dass seine Solarzellen bald Silizium-Module ersetzen. Aber er glaubt, dass sie die möglichen Anwendungsfelder der Photovoltaik erweitern. „Das ist eine andere Art, Solarstrom zu erzeugen“, sagte Wang. „Um unseren Energiebedarf zu decken, brauchen wir alle denkbaren Lösungsmöglichkeiten“.

02.12.2009 | Quelle: Georgia Institute of Technology | solarserver.de © EEM Energy & Environment Media GmbH