Energie & Umwelt

Sind druckbare Solarzellen die Zukunft des globalen Solarsektors?

Sind druckbare Solarzellen die Zukunft des globalen Solarsektors?

Druckbare Stromkreise [Bildquelle:Wikimedia Commons]

Der US-amerikanische Solarzellenhersteller Triton Solar hat gerade eine 100-Millionen-Dollar-Vereinbarung zur Eröffnung einer Produktionsstätte im indischen Bundesstaat Karnataka unterzeichnet, mit der die Produktion am Standort ab August 2016 aufgenommen werden soll. Das Unternehmen gab die Entscheidung am 14. bekanntth Dezember hatte bereits im April geplant, eine Anlage in Madhya Pradesh zu errichten. Triton Solar hat seinen Sitz in New Jersey und ist auf druckbare Solarzellen spezialisiert, die mit Nanotechnologie betrieben werden und mit einer patentierten Drucktechnik hergestellt werden. Die Zellen arbeiten nicht nur im Freien, sondern können auch Sonnenenergie aus Umgebungslicht erzeugen, ohne dass direktes Sonnenlicht erforderlich ist.

Nur wenige andere Unternehmen oder Organisationen haben sich bisher für druckbare Solardünnfilme entschieden, obwohl die Technologie vor zwei Jahren im Jahr 2013 für Schlagzeilen gesorgt hat. In diesem Jahr hat das australische viktorianische Organic Solar Cell Consortium (VICOSC), Teil des australischen Commonwealth Scientific and Industrial Die Forschungsorganisation (CSIRO) demonstrierte ein Scale-up der Druckverfahren für organische Solarzellen, das es ihnen ermöglichte, das kontinuierliche Drucken von BHJ-Solarzellen (Bulk Heterojunction) unter Verwendung eines 30 cm breiten Substrats zu erleichtern. Zur Auswertung wurden mehrere Demonstrationsmodule entwickelt. Dies waren DSC-Module (Dye Sensitized Cell), die auf eine Reihe von Substraten gedruckt werden können, einschließlich Kunststoff, Glas oder Stahl. Sie arbeiten mit der Fähigkeit der Tinte, Sonnenlicht einzufangen und in Elektrizität umzuwandeln. Dies könnte möglicherweise die Integration in eine Reihe von Elementen wie Smartphone-, Tablet- oder Laptop-Hüllen ermöglichen. Gegenwärtig sind sie jedoch zehnmal weniger effizient als Standard-Silizium.

Im März 2014 entwickelte ein Team britischer Wissenschaftler des National Physical Laboratory (NPL) in Middlesex auch druckbare Solarzellen. Diese können an trüben Tagen betrieben werden, an denen wenig Sonnenlicht zur Verfügung steht, und die möglichen Anwendungen umfassen die Integration in das Material von Mänteln oder Taschen, wo sie zum Laden mobiler Geräte verwendet werden können.

Ein weiteres Unternehmen, das an der Entwicklung der Technologie beteiligt ist, ist Eight19, das organische Halbleitermaterialien verwendet, die aus reichlich vorhandenen, möglicherweise kostengünstigen Materialien stammen. Diese Halbleiter haben eine starke Lichtabsorptionsfähigkeit, die etwa 100-mal stärker ist als die von Silizium, und sie können unter Umgebungsbedingungen aus einer Lösung hergestellt werden, wodurch das Material ultradünn wird. Dies bedeutet auch, dass sie mit kontinuierlichen Roll-to-Roll-Druck- und Beschichtungsverfahren gedruckt werden können, wodurch die Kosten gesenkt werden. Die dazu verwendeten Druckgeräte sind bereits verfügbar. Sie können Material mit mehreren zehn bis mehreren hundert Metern pro Minute drucken und werden üblicherweise zur Herstellung von Verpackungen und hochwertigen Beschichtungen verwendet.

Da Dünnschichten extrem leicht sind, ist keine Dachverstärkung erforderlich, und die Fähigkeit, die Zellen in einer Reihe von Farben zu drucken, bedeutet, dass sie möglicherweise weitaus weniger aufdringlich sind als Standard-Silizium-Solarmodule. Die Autoindustrie interessiert sich auch für druckbare Dünnschichtsolaranlagen, um möglicherweise Solar-PV auf Autodächern zu installieren, um die Stromkreise des Fahrzeugs aufzuladen.

Diese Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, daher wird es eine Weile dauern, bis sie kommerziell eingesetzt wird. Die Fortschritte in diesem Bereich werden jedoch von Universitäten auf der ganzen Welt und auch von großen Chemieunternehmen vorangetrieben. Sehr oft erfordert dies eine Art Partnerschaftsvereinbarung (Eight19 arbeitet mit der Universität Cambridge und verschiedenen Materialentwicklungsunternehmen zusammen).

Die Geschichte endet hier jedoch nicht, da druckbare organische Solarzellen jetzt eine konkurrierende Technologie haben - Perowskit-Solarzellen -, die einen Wirkungsgrad von 20 Prozent gegenüber nur 10 Prozent erreicht haben.

Perowskit erregte vor etwa fünf Jahren die Aufmerksamkeit des Solarsektors. Es ist ein Material, das Blei, Jod und eine organische Komponente enthält. Als es zum ersten Mal erforscht wurde, konnte Perowskit nur einen Wirkungsgrad von 3 Prozent erreichen, aber in nur fünf Jahren ist dieser Wert auf 20 Prozent gestiegen, doppelt so hoch wie der zuvor erwähnte bedruckbare organische Dünnfilm. Laut Michael Grätzel, Solarforscher an der Ecole Polytechnique in Lausanne, Schweiz, schreibt er in einer Ausgabe von NaturmaterialienDer Aufstieg von Metallhalogenidperowskit im Solarbereich hat die PV-Community verblüfft. Fiona Scholes, eine Expertin für organische Photovoltaik am CSIRO, beschrieb die Entwicklung im Gespräch mit dem Cosmos Magazine als "ohne Zweifel den größten Fortschritt bei organischen Solarzellen".

Perowskit-Zinn-Solarzellen [Bildquelle:University of Oxford Press, Flickr]

Laut dem Materialingenieur Jinsong Huang von der Universität von Nebraska ist der Schlüssel zur Fähigkeit von Perowskit, Elektrizität zu erzeugen, seine interne Struktur, die es Elektronen ermöglicht, die Elektrode in einer gedruckten Perowskit-Solarzelle leicht zu erreichen. Um jedoch effektiv mit Silizium konkurrieren zu können, müsste ein Wirkungsgrad von rund 25 Prozent erreicht werden, was in den nächsten fünf Jahren möglich sein könnte.

Perowskit-Solarzellen haben einige Nachteile, wie z. B. die Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und die Tatsache, dass sie Blei enthalten, wodurch sie bei Bruch zu einer Quelle der Toxizität werden. Huang glaubt jedoch, dass Perowskit-Zellen optimiert werden könnten, um sie stabiler zu machen, während andere Forscher daran arbeiten, den Bleigehalt durch etwas weniger Schädliches zu ersetzen.

Fiona Scholes geht davon aus, dass druckbare Solarzellen in den kommenden Jahren „ein wesentlicher Bestandteil des Mixes erneuerbarer Energien“ werden. Angesichts der Notwendigkeit, durch Dekarbonisierung der weltweiten Energieversorgung etwas gegen den Klimawandel zu unternehmen, müssen wir sicherlich so viele Wege wie möglich untersuchen.

Druckbare Solarzellen sehen zunehmend so aus, als würden sie ein wichtiger Bestandteil dieses gesamten Energie-Toolkits werden.


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