Flexible Solarzellen liefern „durchsichtigen“ Strom der Zukunft

Solarzellen haben zwei entscheidende Nachteile: Sie sind weder durchsichtig noch flexibel und finden damit nur einen beschränkten Anwendungsbereich. Mit transparenten Solarmodulen könnten auch Gebäudefenster oder Bildschirme Strom erzeugen, flexible Solarzellen könnten in der Kleidung unterwegs das Smartphone laden. Ihr Wirkungsgrad war bislang jedoch eher bescheiden.

Forscher um den südkoreanischen Professor Kyoung Jin Choi haben nun eine Solarzelle präsentiert, die Stromerzeugung, Flexibilität und Transparenz effektiv vereint. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift „Light: Science & Applications“.

Feinste Elemente täuschen Durchsichtigkeit vor

Wenn Sonnenlicht die Erde erreicht, wird seine Energie absorbiert, abgeleitet oder reflektiert. Solarzellen erzeugen Strom, wenn ihre photoaktiven Schichten Licht absorbieren. Ein Objekt erscheint hingegen transparent, wenn das sichtbare Licht der Sonnenstrahlung durch es hindurchgeht. Wenn man also Solarzellen auf Siliziumbasis transparent macht, verringert sich die Menge der absorbierten Sonnenstrahlung und ihr Wirkungsgrad sinkt.

Um diese Einschränkung zu überwinden, entwickelte Chois Team transparente und flexible Polymersubstrate und speziell geformte Siliziumstäbe. In dieser Solarzelle wirkt ein Siliziumstab als photoaktive Schicht, die Sonnenlicht absorbiert und Elektrizität erzeugt. Diese Siliziumstäbe sind wiederum so angeordnet, dass sie mit bloßem Auge unsichtbar sind.

Siliziumstäbe im Mikrometerbereich wandeln Sonnenlicht in elektrische Energie um, sind aber für das bloße Auge unsichtbar. Foto: Nationales Institut für Wissenschaft und Technik Ulsan (UNIST), Südkorea

Die mikroskopischen Siliziumstäbe ermöglichen die Umwandlung von Sonnenenergie, während die Lücken zwischen den Stäben das Material durchsichtig erscheinen lassen. Außerdem gewährleistet eine spezielle Geometrie der feinen Strukturen, dass das von den Siliziumstäben reflektierte Sonnenlicht nicht ungenutzt bleibt.

Bisherige „transparente“ Solarzellen nicht geeignet

Frühere Versuche anderer Forschungsgruppen führten zu „verschiedenen getönten, transparenten Solarzellen […] mit bescheidener Transparenz.“ Diese meist gelb oder rötlich getönten Solarzellen weisen einen niedrigeren Wirkungsgrad um fünf Prozent auf und sind zwar durchscheinend, aber nicht transparent.

Zumindest für Glasdächer gibt es eine Lösung mit handelsüblichen, in das Glas einlaminierten Solarzellen. Durch die Zwischenräume der etwa 15 x 15 cm großen Module scheint die Sonne, während die Module selbst bis zu 20 Prozent Wirkungsgrad aufweisen. Beide Ansätze sind jedoch ungeeignet für Elektronik, Autofenster und photovoltaische (Fassaden-) Fenster.

Durch Variation der Abstände der mikroskopischen Siliziumstäbe konnte das Team um Prof. Choi die Transparenz auf bis zu 55 Prozent mehr als verdoppeln. Außerdem ermöglicht die Anordnung eine gewisse Flexibilität der Zelle – ohne Wirkungsgrad einzubüßen.

„Bestehende transparente Solarzellen wurden auf starren Glassubstraten hergestellt, sodass ihr Anwendungsbereich begrenzt war“, sagte Professor Choi.

Er erwartet, dass die neue Solarzelle ihren anfänglichen Wirkungsgrad von acht bis zehn Prozent auch nach Dutzenden von Biegetests beibehält. Damit könne sie an einer Vielzahl von Gebäuden sowie für Fahrzeugglas und tragbare elektronische Geräten verwendet werden.