Solarzellen als Textilien

Kostengünstig und effizient: Flexible faserförmige Perowskit-Solarzellen

05.08.2014 - China

Die ideale Stromversorgung für kleine, in Kleidungsstücke eingearbeitete elektronische Geräte sind textile Solarzellen. Chinesische Wissenschaftler stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt neuartige faserförmige Solarzellen vor, die zu einem textilen Gewebe verarbeitet werden können. Die flexiblen koaxialen Zellen basieren auf einem Perowskit-Material sowie Kohlenstoffnanoröhrchen und zeichnen sich durch eine exzellente Energieumwandlungseffizienz von 3,3% sowie niedrige Herstellungskosten aus.

Das Dilemma bei Solarzellen: Entweder sind sie kostengünstig und wenig effizient oder sie haben einen vernünftigen Wirkungsgrad, sind aber sehr teuer. Eine Lösung erhofft man sich von Solarzellen aus Perowskit-Materialien, die kostengünstiger als Silizium sind und keine teuren Zusatzstoffe benötigen. Perowskite sind Stoffe mit einer Kristallstruktur, die der des Perowkits, eines Calciumtitanats, entspricht. Derartige Strukturen sind oft Halbleiter und absorbieren Licht vergleichsweise effizient. Vor allem aber können durch Licht angeregte Elektronen sehr weite Strecken innerhalb des Kristallgitters zurücklegen, bevor sie in ihren energetischen Grundzustand zurückfallen und wieder einen festen Platz einnehmen – eine Eigenschaft, die für Solarzellen sehr wichtig ist.

Das Team um Huisheng Peng von der Fudan University in Shanghai hat nun erstmals Perowskit-Solarzellen in Form flexibler Fasern entwickelt, die sich zu elektronischen Textilien verweben lassen. Das Herstellverfahren ist dabei vergleichsweise einfach und kostengünstig, da der Schichtaufbau durch Lösungsverfahren erfolgt.

Ein feiner Stahldraht als Anode wird zunächst mit einer kompakten n-halbleitenden Titandioxid-Schicht überzogen. Darauf wird eine Schicht aus porösem nanokristallinem Titandioxid aufgetragen. Sie liefert eine große Oberfläche für die anschließende Abscheidung des Perowskit-Materials CH₃NH₃PbI₃. Darauf kommt eine Schicht aus einem speziellen organischen Material. Abschließend wird eine transparente Schicht aus ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen kontinuierlich aufgewickelt, die als Kathode dient. Die resultierende Faser ist so fein und flexibel, dass sie sich zu Textilien weben lässt.

Die Perowskit-Schicht absorbiert Licht, das Elektronen anregt, freisetzt und dadurch eine Ladungstrennung in Elektronen und formal als positive Ladungsträger betrachtete „Löcher“ auslöst. Die Elektronen gelangen in das Leitungsband der kompakten Titandioxidschicht und weiter zur Anode. Die „Löcher“ werden von der organischen Schicht aufgefangen. Die hohe Oberfläche und die hohe elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoffnanoröhrchen-Kathode begünstigen eine rasche Ableitung der Ladungen mit hohen photoelektrischen Strömen. Die Faser-Solarzelle erreicht eine Energieumwandlungseffizienz von 3,3% und übertrifft damit alle bisherigen koaxialen faserförmigen farbstoffsensibilisierten oder Polymer-Solarzellen.