Revolutionäre waschbare, dehnbare Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 8 %

• Wissenschaftler entwickeln eine neue organische, ultradünne Solarzelle, die gewaschen und um die Hälfte ihrer Länge gedehnt werden kann. 
• Es wandelt Sonnenlicht mit einem Wirkungsgrad von 8 % in elektrische Energie um und ist dabei sowohl in der Luft als auch im Wasser sehr stabil. 
• Einige Unternehmen haben Interesse an der Kommerzialisierung der Technologie gezeigt. 

Die Entwicklung von Solarmodulen klingt großartig, aber waschbare und flexible Solarzellen klingen noch besser. Wissenschaftler von RIKEN Research in Tokio haben neue organische, superdünne Zellen entwickelt, die 20 simulierten Waschzyklen standhalten und um die Hälfte ihrer Länge gedehnt werden können.

Dies ist die weltweit erste Solarzelle, die eine höhere Energieeffizienz bieten kann und gleichzeitig Dehnbarkeit und Stabilität in Luft und Wasser beibehält.

Diese Zellen könnten in Textilien, Netzwerkgeräten, zum Aufladen mobiler Geräte unterwegs, zur Stromversorgung persönlicher Gesundheitsmonitore und vielem mehr verwendet werden. Technisch gesehen sind die Möglichkeiten endlos. Lassen Sie uns herausfinden, wie genau Wissenschaftler diese Zellen gebaut haben und wozu sie fähig sind.

Die Struktur neuer Solarzellen

Ein Team von Wissenschaftlern am RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) hat eine organische Photovoltaik (OPV) entwickelt – eine dünne organische aktive Schicht einer Solarzelle. Es wandelt das von der Sonne kommende Licht mit einem Wirkungsgrad von 8 % in elektrische Energie um und ist dabei sowohl in der Luft als auch im Wasser sehr stabil.

Mit der dickeren organischen Schicht könnte eine maximale Umwandlungsrate von 10 % erreicht werden, aber für ein OPV, das etwa 1 Mikrometer dick ist, sind 8 % eine beeindruckende Umwandlungsrate. Und da das organische Material sehr dünn ist, lässt es sich biegen, ohne zu zerbrechen.

Vor einigen Monaten wurde dieselbe Schicht zur Herstellung der Solarzellen verwendet, diese waren jedoch nicht dehnbar genug. Das Problem wurde später dadurch gelöst, dass außen gespannte gummiartige Elastomerplatten integriert wurden (ähnlich einer Sandwichstruktur). Dadurch konnte sich die Solarzelle zu einer ziehharmonikaartigen Struktur mit Spitzen und Tälern falten.

Die Elastomerplatten verleihen der Zelle nicht nur ihre Dehnbarkeit, sondern sind auch einigermaßen wasserdicht, wodurch die Solarzellen 20 Zyklen mechanischer Kompression in Wasser für 1 Stunde und 40 Minuten standhalten. Die Effizienz der Zellen verringerte sich nach 20 Waschzyklen nur um 20 %.

Organische Solarzelle wird gewaschen und gedehnt

Genauer gesagt zeigt die Studie waschbare Polymersolarzellen mit gleichbleibend hoher Effizienz (7,9 %) und Dehnbarkeit (52 %). Die mechanisch stabilen, ultraflexiblen OPVs mit einer Gesamtdicke von 3 Mikrometern werden durch die Kombination stabiler aktiver Schichten und einer invertierten Architektur entwickelt. Sie erzielen einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von bis zu 7,9 % und zeigen einen stabilen Leistungsumwandlungswirkungsgrad unter Umgebungsluft (54 % des anfänglichen Wirkungsgrads nach 1 Monat) sowie eine Dehnbarkeit von 41 %.

Referenz:Natur | doi:10.1038/s41560-017-0001-3 | RIKEN-Forschung

Die Verschlechterung der Effizienz betrug 20,8 %, wenn freistehende OPVs zwei Stunden lang in Wasser getaucht wurden. Die Reduzierung wurde deutlich auf 5,4 % reduziert, wenn die flexiblen OPVs zwischen zwei Elastomeren angeordnet wurden.

Aufbau der freistehenden OPVs

Anwendungen

Diese Solarzellen könnten zur Stromversorgung elektronischer Geräte wie Sensoren zur Messung der Körpertemperatur, der Herzfrequenz, des Blutdrucks oder der elektrodermalen Aktivität verwendet werden. Es gibt auch zahlreiche Textilien mit eingebetteten Sensoren. Durch die Kombination dieser Technologien mit dieser neuen Art von Solarzellen könnten einige intelligente Sensor-Kleidungssysteme entwickelt werden.

Wenn in ferner Zukunft höhere Spannungen realisiert werden können, könnten diese Zellen in der Kleidung zum Aufladen von Handgeräten wie Smartphones und Tablets verwendet werden und könnten eines Tages möglicherweise in der Lage sein, den Strombedarf der Haushalte zu decken. Wenn die Solarzellen in leichte und dünne Batterien integriert werden könnten, könnte ihre Wirksamkeit weiter verbessert werden.

Die realen Anwendungen werden wahrscheinlich erst in drei bis fünf Jahren realisiert. Tatsächlich haben einige Unternehmen Interesse an der Kommerzialisierung der Technologie gezeigt.

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Die beiden größten Hindernisse für die Kommerzialisierung werden jedoch die Größe und die Kosten der Solarzellen sein. Derzeit sind sie auf 10 x 10 cm begrenzt, was in der Herstellung recht teuer ist. Dies ist jedoch hauptsächlich auf die Kosten der aktiven Schicht zurückzuführen. Die Blechbeschichtung ist erstaunlich dünn, was letztendlich die Kosten senkt. Wenn sich also große Unternehmen auf dem Markt für die Kommerzialisierung entscheiden, könnten sie eine neue Technik entwickeln, um das Material der aktiven Schicht in Massenproduktion herzustellen und die Kosten zu senken.