Farbige Hausfassaden, die auch bei Schlechtwetter Solarenergie produzieren, oder Elektroautos, die ihre Batterien selbst im Schatten mit solaren Ampères laden können. Ein Forscherteam von der TU Braunschweig ist auf dem Weg zu geeigneten und bezahlbaren Photovoltaik-Systemen für solche Anwendungen einen wichtigen Schritt vorangekommen.
Schon heute möglich, aber zu teuer
Unter der Leitung von Prof. Peter Jomo Walla haben die Forscher eine mit Farbstoffen gespickte, kostengünstige Kunststofffolie entwickelt, die künftig großflächig Licht einfangen und auf kleine Hochleistungssolarzellen lenken könnte. "Unser Verfahren verspricht deutlich höhere Wirkungsgrade als Siliziumsolarzellen sie jemals haben werden", sagt Walla. Das Potenzial der Siliziumphotovoltaik sei mit einem Wirkungsgrad von etwa 25 Prozent praktisch ausgereizt, selbst der theoretisch maximal mögliche Wirkungsgrad läge stoffbedingt bei nur 29 Prozent.
Die von Wallas Team anvisierten Hochleistungssolarzellen dagegen, die etwa Gallium- oder Indiumverbindungen enthalten, könnten schon heute Wirkungsgrade bis zu 45 Prozent erzielen. Da sie aber sehr teuer sind, werden in der Regel möglichst kleine Flächen dieser Materialien mit möglichst billigen Lichtsammelsystemen kombiniert. Üblicherweise kommen dafür optische Linsen zum Einsatz, die das Sonnenlicht auf die Solarzellen konzentrieren. "Leider funktionieren die aber nur mit direkter Sonneneinstrahlung. Bei diffusem Licht, bewölktem Himmel und im Schatten liefern diese Systeme kaum noch Strom", so Walla.
Licht einfangen wie bei der Photosynthese
Um Abhilfe zu schaffen, arbeiten die Forscher mit fluoreszierenden Farbstoffmolekülen, die Licht schlucken und wieder abgeben können. Da diese Moleküle normalerweise kreuz und quer durcheinanderliegen, etwa in einer Kunststoffmatrix, trifft 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. "Die Verluste sind recht hoch. Nur ein kleinerer Teil wird letztlich in Strom verwandelt", erklärt der Projektleiter.
Dieses Problem können die Chemiker aus Braunschweig nun durch einen besonderen Kniff beheben. Sie ziehen ihre farbstoffhaltigen Folien in eine Richtung lang, strecken sie so auf etwa das Vierfache. 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. Das geschieht mit einer hohen Effizienz. Die Verluste bisheriger Systeme können um etwa den Faktor drei verringert werden. Das Ganze funktioniert ähnlich wie Lichtsammelsysteme in Pflanzen: Auch bei der Photosynthese fangen Farbstoffe das Licht ein und lenken es zur Energiewandlung an geeignete Reaktionszentren weiter.
Der Weg ist noch weit
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse haben die Forscher noch eine Menge Arbeit vor sich. Bisher konnten sie nur für Wellenlängen aus dem blau-grünen Bereich des Lichtspektrums zeigen, dass das Prinzip funktioniert. Deshalb wollen sie als nächstes weitere Farbstoffe testen, die andere Wellenlängen schlucken. Zugleich gilt es, stabilere Farbstoffteilchen zu finden. Die Moleküle aus der veröffentlichten Studie zersetzen sich unter Licht noch recht schnell. "Wir testen deshalb zurzeit stabile Farbstoffe, die zum Beispiel in Monitoren zum Einsatz kommen", erzählt der Chemiker. Dazu arbeite sein Team mit dem Kavli Energy Nanoscience Institute der University of Berkeley, USA, zusammen, wo er sich auch gerade für ein Forschungssemester aufhält. Bis zur praktischen Anwendung sei es noch ein gutes Stück Weg, räumt Walla ein. Gleichwohl ist er überzeugt, dass es sich lohnt, weiterzugehen. "Die Sonne strahlt an nur einem halben Tag so viel Energie zur Erde, wie die Menschheit im ganzen Jahr verbraucht. Zurzeit nutzen wir noch viel zu wenig davon", so der Forscher. (fei)