Solarzellen aus Kohlenstoff

03.12.12 – Katherine Bourzac

Photovoltaiksysteme aus neuartigen Materialien könnten haltbarer und kostengünstiger sein als aktuelle Technik – wenn der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.

Mit Hilfe neuartiger Nanomaterialien haben Forscher an der Stanford University erstmals Solarzellen entwickelt, die vollständig aus Kohlenstoff bestehen. Noch ist die Energieausbeute zwar gering. Doch die Wissenschaftler hoffen, dass sich mit dem Verfahren in einigen Jahren kostengünstige und flexible Photovoltaik-Elemente bauen lassen, die robust genug sind, auch härteste Umweltbedingungen auszuhalten.

Ziel ihres Teams sei nicht gewesen, Solarzellen aus Silizium und anderen anorganischen Materialien zu ersetzen, erläutert Zhenan Bao, Professorin für Chemieingenieurwesen, die das Forschungsprojekt leitet. Stattdessen gehe es darum, neue Nischen für die Energiegewinnung zu erschließen. “Kohlenstoff ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde und flexibel einsetzbar.”

Kohlenstoff ist erstaunlich widerstandsfähig – das nur atomdicke Graphen und die langen, dünnen Kohlenstoffnanoröhrchen gehören zu den stärksten Materialien auf dem Planeten. Photovoltaiksysteme aus Kohlenstoff könnten beispielsweise einfach auf Gebäude aufgesprüht werden – oder aufgerollt mitgenommen. Verschiedene Formen von Kohlenstoff lassen sich auch ausdrucken, um dünne, transparente und dehnbare Solarzellen herzustellen.

Dank der dem Ausgangsmaterial innewohnenden Vielfältigkeit nutzten die Forscher verschiedene Varianten des Kohlenstoffs, um jede der Komponenten ihrer Solarzelle zu entwickeln. Die drei Hauptbestandteile – eine Nanoröhrchen-Kathode, eine Graphen-Anode und eine aktive Schicht aus Nanoröhrchen und Fullerenen – wurden allesamt ausgedruckt oder aus einer Tinte verdampft.

Die Herstellung der Kathode war die schwierigste Aufgabe, sagt Bao. Es sei ein Problem gewesen, Kohlenstoffnanomaterialien als Elektronenfänger einzusetzen. Die Stanford-Forscher lösten das Problem, in dem sie passende Nanoröhrchen auswählten und sie chemisch behandelten.

Die Kohlenstoff-Solarzellen wandeln derzeit noch weniger als ein Prozent der Energie des Lichtes in Strom um – gute Solarzellen erreichen mittlerweile rund 20 Prozent. Bao zufolge arbeitete ihre Gruppe allerdings vor allem mit Ausgangsstoffen von der Stange, die nur leicht verändert worden seien. Der verwendete Kohlenstofffilm sei noch recht rau, was sich negativ auf den Ladungstransport auswirke. Mit neuen Verarbeitungstechniken sei dies aber behebbar. “Es wird noch viel daran geforscht, wie man die Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhrchen kontrollieren und nutzen kann.”

Fengnian Xia, Forscher bei IBM Yorktown, der Baos Arbeit kennt, sieht das ähnlich. Die neuen Zellen benötigten qualitativ bessere Ausgangsmaterialien und einen optimierten Herstellungsprozess. “Die Idee ist großartig und das ist eine gute erste Demonstration. Für realistische Anwendungen ist das Verfahren aber noch nicht bereit”, meint er.

Andere Wissenschaftlergruppen arbeiten daran, bessere Kohlenstoffmaterialien für die aktiven Schichten bei Photovoltaik-Systemen zu entwickeln. Der Materialwissenschaftler Jeffrey Grossman vom MIT hat errechnet, dass Kohlenstoff-Solarzellen bis zu 13 Prozent Wirkungsgrad erreichen könnten – zumindest theoretisch.

Damit sich die Technik kommerziell nutzen lässt, müsse mindestens die 10-Prozent-Marke überschritten werden, meint Shenqiang Ren von der University of Kansas, dessen Labor im vergangenen September erste Erfolge mit Kohlenstoff-Solarzellen vorweisen konnte, die konventionelle Metallelektroden nutzen. Ren hatte damals 1,3 Prozent erreicht, was ungefähr dem entspricht, was die ersten Polymer-Solarzellen leisteten.

Ren arbeitet nun mit weiteren Materialwissenschaftlern wie Grossman zusammen, um die Technik zu verbessern – auch aus einem überarbeiteten Theorieansatz heraus, der die Zellenstruktur neu denkt. Erste Erfolge mit neuen Materialien soll es im Labor schon gegeben haben – dort habe man kürzlich Wirkungsgrade um 5 Prozent erreicht, sagt er.

Permalink: http://heise.de/-1755620

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