Solarzellen zum Anziehen

In Textilien integrierbare Solarzellen auf Basis gestapelter Gewebe-Elektroden

13.05.2014 - China

Das Tablet im Jackenärmel, das Smartphone in der Armbanduhr – herkömmliche Batterien und Akkus sind für immer leichtere tragbare elektronische Geräte nicht mehr praktikabel. Eine Alternative wären Solarzellen in Form eines Gewebes, das einfach in die Kleidung integriert würde. Chinesische Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt neuartige effiziente Solarzellen auf der Basis stabiler flexibler Textilelektroden vor, die sich in Stoffe einarbeiten lassen.

Verschiedene Typen fadenförmiger in Textilien einwebbarer Solarzellen wurden bereits hergestellt, indem zwei elektrisch leitfähige Fasern als Elektroden verzwirbelt wurden. Eine praktische Umsetzung hapert aber daran, dass sich nur schwer lange, effektiv arbeitende faserförmige Elektroden herstellen lassen. Die drahtförmigen Zellen blieben auf Längen von einigen Millimetern beschränkt. Zudem ist es schwierig, eine größere Zahl kreuzweise in ein elektronisches Textil eingewobener Solarzellen zu verbinden.

Das Team von der Fudan University und der Tongji University in Shanghai hat nun einen alternativen Ansatz für die Produktion flexibler, in Stoffe integrierbarer Solarzellen entwickelt. Er basiert auf gewebeartigen Elektroden, die als Lagen gestapelt werden.

Eine Solarzelle benötigt eine Arbeitselektrode, die das Licht einfängt, eine Gegenelektrode sowie einen Elektrolyten. Die Forscher um Huisheng Peng stellten die Arbeitselektrode her, indem sie 130 µm dünne Titandrähte zu einem Gewebe verflochten. Anschließend ließen sie in einem elektrochemischen Verfahren parallel angeordnete Titandioxid-Nanoröhrchen senkrecht auf die Drähte aufwachsen. Im letzten Schritt wurde ein spezieller Farbstoff in diese Titandioxid-Nanoröhrchen eingelagert. Für die Herstellung der Gegenelektrode stellten die Forscher Schichten aus hoch-parallel angeordneten Kohlenstoffnanoröhrchen her, die dann zu feinen Fäden mit hoher mechanischer Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit zusammengedreht und wiederum zu einem Gewebe verflochten wurden. Je eine Lage einer Arbeits- und einer Gegenelektrode wurden aufeinander gestapelt und die Doppelschicht mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt und versiegelt oder mit einem festen Elektrolyten versehen.

Licht regt die Farbstoffmoleküle so an, dass sie Elektronen freisetzen und in das Leitungsband des Titandioxids abgeben. Über den Titandraht werden diese Ladungen abtransportiert und erreichen über einen angeschlossenen externen Stromkreis die Gegenelektrode. Über eine Redoxreaktion nimmt der Elektrolyt Elektronen von der Gegenelektrode auf und überträgt sie wieder auf die ionisierten Farbstoffmoleküle.

Die gestapelten Gewebe-Elektroden arbeiten auch in gebogenem Zustand effektiv, sodass sich die textilen Solarzellen auf einfache Weise in diverse Strickwaren oder andere flexible Strukturen integrieren lassen. Mithilfe mehrerer kleiner Gewebe-Solarzellen konnten die Forscher eine Leuchtdiode zum Leuchten bringen.