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Organische Solarzellen könnten die Speicherung erneuerbarer Energien verändern

Das Bestreben, sauberen Brennstoff nur aus Wasser, Sonnenlicht und Kohlendioxid zu entwickeln und zur Speicherung erneuerbarer Energien zu nutzen, hat eine aufregende neue Wendung genommen. Ein EU-finanziertes Forschungsteam leistete Pionierarbeit bei der Synthese organischer Materialien, die die Energie der Sonne effizienter als bisher in Wasserstoffbrennstoff umwandeln können.

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Trotz des Potenzials jeder Solarstromtechnologie, CO2-Emissionen zu reduzieren, ist die Speicherung des auf diese Weise erzeugten Stroms eines der größten Hindernisse für die Einführung erneuerbarer Energien. Es gibt jedoch erste konkrete Ideen zur Speicherung der Energie aus dem Sonnenlicht in den chemischen Bindungen von Molekülen, wie etwa molekularem Wasserstoff, die bereits Gestalt annehmen. Die Wasserstoffspeicherung wird durch Geräte ermöglicht, die als Elektrolyseure bezeichnet werden. Mithilfe von Strom – idealerweise aus Solarenergie – spalten Elektrolyseure Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, einen CO2-freien Kraftstoff. Eine zweite Art von Geräten, sogenannte Brennstoffzellen, wandelt diesen Wasserstoff dann wieder in Strom um, der beispielsweise zum Antrieb von Fahrzeugen genutzt oder in das Stromnetz eingespeist werden kann.

Künstliche Photosynthese in die Praxis umgesetzt

Mithilfe finanzieller Förderung durch die EU im Rahmen eines Zuschusses des Europäischen Forschungsrates (EFR) haben Forschende des Projekts TripleSolar eine realistische Mehrfachsolarzelle – bestehend aus drei einzelnen übereinander geschichteten Solarzellen – vorgestellt, mit der die solare Wasserspaltung aus dem Labor herausgeholt und in praktische Anwendungen umgesetzt werden soll. In einem ersten Schritt demonstrierte das Projektteam ein künstliches Blatt aus organischen Materialien, das Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von nahezu 5,5 % in Wasserstoff umwandelt. Abgesehen von der rekordverdächtigen Effizienz bei der Wasserspaltung unterscheidet sich dieses künstliche Blatt von anderen Versuchen zur Erzeugung von Wasserstoff aus Sonnenlicht dadurch, dass es aus kostengünstigen und leicht verfügbaren Materialien gefertigt ist. „Unser neues künstliches Bio-Blatt ist ein Sprungbrett für die Entwicklung realer und nachhaltiger Energielösungen für die kommenden Generationen. Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Ladungen und die sofortige Speicherung des Stroms werden dazu beitragen, das Problem der unregelmäßigen Versorgung mit erneuerbaren Energien in der Zukunft zu lösen“, erklärt der EFR-Stipendiat und Hauptforscher René Janssen. Neben den Dreifachsolarzellen demonstrierte TripleSolar außerdem die erste aus vier organischen Halbleitermaterialien bestehende organische Vierfachsolarzelle. Die Wirkungsgrade der organischen Solarzellen lagen jeweils bei über 10 % bzw. 7,5 %.

Gewinnung neuer Erkenntnisse über den Photokonversionsmechanismus

Organische Solarzellen sind eine der vielversprechendsten Technologien zur Energieumwandlung. Dank einiger Vorteile wie Rohstoffreichtum, niedrigen Produktionskosten, geringem Gewicht und der Möglichkeit der flexiblen und großtechnischen Herstellung könnten sie eine echte Alternative zu herkömmlichen Solarzellen mit Siliziumsubstraten darstellen. Aktuelle organische Solarzellen können Wirkungsgrade von über 15 % erreichen. Durch Mehrfachsolarzellen-Architekturen kann dieser Wirkungsgrad sogar noch weiter auf über 20 % gesteigert werden. Das Erreichen dieser hohen Wirkungsgrade ist eine enorme Herausforderung, bei der jeder einzelne Schritt des Umwandlungsprozesses bis aufs Äußerste ausgereizt werden muss, um die Energieverluste erheblich zu reduzieren. TripleSolar untersuchte und entwarf neue funktionelle organische Moleküle und Polymere für den Einsatz in Mehrfachsolarzellen. „Unsere Forschung konzentrierte sich darauf, die mechanistischen Details des Photokonversionsprozesses [wie den Exzitonen- und Ladungstransport] zu entschlüsseln. Diese neuen Erkenntnisse halfen bei der Entwicklung von Materialien, die Sonnenlicht in Strom umwandeln und die erzeugte Energie effizienter in Molekülen wie Wasserstoff speichern“, erklärt Janssen. Im Gegensatz zu Einfachsolarzellen erzeugen Mehrfachsolarzellen ein hohes chemisches Potential, das die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ermöglicht. Durch die Untersuchung der Mechanismen, die die 3D-Nanostruktur und die elektronischen Eigenschaften der Absorberschichten steuern, konnte die Forschungsgruppe des Projekts effiziente Solarzellen zur Umwandlung von Solarenergie in Strom, Wasserstoff und Kohlenmonoxid demonstrieren. „Die mit unseren organischen Mehrfachsolarzellen erzielten Wirkungsgrade sind immer noch niedriger als die ihrer anorganischen Pendants, die bei etwa 20 % liegen. Nachfolgende Forschungsarbeiten werden sich darauf konzentrieren, die organische Solarzellentechnologie in Bezug auf Effizienz, Stabilität und Kosten weiter zu verbessern und letztlich dazu beitragen, dass die Technologie in großem Maßstab eingesetzt werden kann“, so Janssen abschließend.

Schlüsselbegriffe

TripleSolar, Wasserstoff, organische Solarzelle, erneuerbare Energie, Mehrfachsolarzelle, künstliches Blatt, Energiespeicherung

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