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01.07.2015
NATURSTROM AG: Kunststoff-Struktur könnte Solarzellen revolutionieren
Wissenschaftler der Universität von Kalifornien glauben, dass ihre Erfindung die Herstellung von Solarzellen verändern könnte. Sie haben eine hocheffiziente Struktur aus Kunststoff entwickelt, mit der sich Strom über lange Zeit speichern lässt.
27.06.2015 – Die Mehrzahl der Aufdach-Photovoltaikanlagen besteht aus Materialien, die Sonnenenergie nur wenige Mikrosekunden speichern können. Ganz anders verhält es sich bei einer neuen Technologie, die Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in Los Angeles erfunden haben: Mit den von ihnen entwickelten Kunststoffstrukturen lässt sich Energie bis zu mehrere Wochen lang speichern. Die Forscher glauben, dass ihre Erfindung die Herstellung von Solarzellen künftig revolutionieren könnte.
Bislang bestehen Solarzellen, die in Modulen für Dächer verbaut sind, üblicherweise aus Silizium – einem relativ teuren Rohstoff. Deswegen gibt es Bestrebungen, günstigere Solarzellen aus Kunststoff herzustellen. Bislang sind die Plastikzellen allerdings noch nicht effizient genug, hauptsächlich weil die getrennten positiven und negativen elektrischen Ladungen sich häufig wieder vermischen, bevor sie zu Strom werden können.
"Moderne Solarzellen aus Kunststoff haben, anders als Pflanzen, keine optimale Struktur, weil wir bisher nicht wussten, wie diese aussehen muss. Doch durch unsere Erfindung lassen sich die Ladungen sauber trennen, und zwar für Tage, sogar Wochen. Ist die passende Struktur einmal gefunden, kann man die Speicherung von Energie leicht optimieren", erklärt Sarah Tolbert, Chemieprofessorin und Mitverfasserin der neuen Studie.
Inspiriert wurden die Forscher von den Pflanzen, denn diese betreiben eine hocheffiziente Energieumwandlung. "Für die Photosynthese nutzen sie genau angeordnete Nanostrukturen in ihren Zellen, mit deren Hilfe sie Ladungen sehr schnell und sicher trennen können. Genau diese Trennung ist der Schlüssel zu einer hocheffizienten Energieumwandlung", erklärt Tolbert.
Die beiden Komponenten, die dafür sorgen, dass die neue Technologie des Chemiker-Teams funktioniert, sind ein Polymer-Donor und ein Fulleren-Akzeptor. Der Polymer-Donor absorbiert Sonnenlicht und gibt Elektronen an den Fulleren-Akzeptor ab. Daraus entsteht Strom. Der normal verwendete Kunststoff, auch organische Photovoltaik genannt, ist wie ein Teller gekochte Pasta strukturiert – eine unorganisierte Masse langer, dünner "Polymer-Spaghetti" mit wahllos verteilten "Fulleren-Fleischbällchen". Diese "ungeordnete" Struktur macht es allerdings auch schwierig, die Zellen zügig zu verlassen. Elektronen hüpfen manchmal zurück zu den "Polymer-Spaghetti" und gehen so verloren.
Mithilfe der neuen Technologie des Teams um Tolbert lassen sich die Strukturen ordentlicher anordnen – wie saubere Bündel ungekochter Spaghetti mit präzise an bestimmten Stellen abgelegten Fleischbällchen. Einige der "Fulleren-Fleischbällchen" sind so designt, dass sie in den Spaghetti-Bündeln sitzen, andere werden gezielt außerhalb platziert. Die Fulleren-Akzeptoren innerhalb der Struktur nehmen die Elektronen auf und geben sie gezielt an die außen sitzenden Fulleren-Akzeptoren weiter. So können Elektronen effektiv über Wochen von den Polymer-Donatoren ferngehalten werden.
Die neue Struktur ist zudem umweltfreundlicher als bisherige organische Photovoltaik, denn ihre Bestandteile können in Wasser zusammengefügt werden. Bisherige Technologien nutzten giftige organische Lösungen. Wenn man die Materialien hergestellt hat, kann man sie in Wasser tauchen und schon setzen sie sich zur gewünschten Struktur zusammen – ohne zusätzliche Arbeit von außen.
Was das Forscherteam bislang bewiesen hat, ist, dass sich effiziente Strukturen für organische Photovoltaik sehr kostengünstig herstellen lassen. Nun arbeiten die Forscher daran, wie sie ihre neue Technologie in Solarzellen einbinden können. Denn noch ist unklar, wie die Strukturen in der Praxis real eingesetzt werden können.
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