Neues System könnte Photovoltaik revolutionieren

Neues System könnte Photovoltaik revolutionieren

Forschende der Uni Würzburg wollen mit einem neuartigen Lichtsammelsystem die Photovoltaik revolutionieren. Paneele damit könnten dünner und leichter als bisherige Bauweisen sein.

Inspiration holten sich die Forschenden in der Pflanzenwelt. Bei der Photosynthese absorbieren Farbstoffe in Pflanzen und einigen Bakterien Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen. Deshalb wirken viele Blätter grün, da Lichtwellenlängen in diesem Spektrum nicht absorbiert sondern von den Pflanzen reflektiert werden.

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Photosynthese war das Vorbild für die Solarzellen

Organische Farbstoffe schaffen dünnen Aufbau

Derzeit übliche Zellen aus anorganischen Halbleitermaterialien wie Silizium können zwar mehrere Lichtwellenlängen im sichtbaren Spektrum sammeln, absorbieren aber Licht nicht effizient genug. Um trotzdem genug Licht zu sammeln, sind mikrometerdicke Siliziumschichten nötig.

Das lässt sich mit organischen Farbstoffen ändern. Mit ihnen könnte die Dicke der Schicht auf 100 Nanometer verringert werden (1 Mikrometer = 1.000 Nanometer).

Verwendet wurden dafür 4 unterschiedliche Merocyanin-Farbstoffe. „Brookers Merocyanin“ ist ein Farbstoff, dessen Farbe und damit Absorptionsspektrum je nach Lösungsmittel oder pH-Wert variiert. Deswegen kann seine sichtbare Farbe zwischen Gelb, Orange, Rot und Violett variieren.

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Links die Strukturformeln der 4 Farbstoffe (in ihren jeweiligen Farben), rechts ihre gestapelte Anordnung für das Lichtsystem

Ergbeniss der Labortests

Die 4 Farbstoffe werden gefaltet und so eng aufeinandergestapelt, dass sie Licht ultraschnell und effizient absorbieren. Sie geben dem Prototypen auch seinen Namen URPB, was für „ultraviolett“, „red“ (rot), „purple“ (violett) und blue („blau“) steht.

Alleine würden die Farbstoffe jeweils nur ein bis 3 Prozent des Lichts als Fluoreszenz abgeben. Kombiniert soll der Prototyp aber 38 Prozent Floureszenzquantenausbeute erreichen. Dadurch ist erwiesen, dass das Konzept von URPB - also die Kombination der unterschiedlichen Farben zu einem effizienteren System - funktioniert.

Noch viel Forschung nötig

Damit ist der Grundstein gelegt, um in diese Richtung weiterzuforschen. So könnten Solarzellen auf der Basis von URPB statt Silizium leichter und dünner sein, was neue Einsatzmöglichkeiten hervorbringen könnte. Denkbar sind hier etwa Solarzellen für Elektroautos oder auch Hausfassaden.

In weiterer Forschung müsste die Floureszenzquantenausbeute des Systems weiter erhöht werden. Außerdem muss herausgefunden werden, ob der Wirkungsgrad einer PV-Anlage mit URPB mit der einer Silizium-PV-Anlage mithalten kann - oder sie bestenfalls übertrifft.

Dann gilt es noch zu berechnen, wie teuer die Produktion ist und ob die Vorteile der dünneren und leichteren Solarzellen die womöglich höheren Kosten überwiegen. Sollte das nicht der Fall sein, könnten URPB-Solarzellen trotzdem für spezielle Anwendungen genutzt werden, bei denen etwa Formfaktor und Gewicht eine essenzielle Rolle spielen.

Die Ergebnisse der Studie sind im Fachmagazin Chem erschienen.