Solarstrom aus Wänden und Fenstern – neue Materialien

Das neue Material aus Lunts Labor, das Sonnenlicht absorbiert und dabei transparent bleibt. (Foto: Yimu Zhao)
Das neue Material aus Lunts Labor, das Sonnenlicht absorbiert und dabei transparent bleibt. (Foto: Yimu Zhao)
16.01.2015

Zwei Forschungsgruppen haben unabhängig voneinander Materialien geschaffen, mit denen wir in Zukunft Beton- und Glasflächen zur Solarstromerzeugung nutzen könnten.

Das Team um Richard Lunt hat an der Michigan State University (MSU) eine Material entwickelt, das auf Fensterscheiben angebracht werden kann und eintreffendes Licht absorbiert – dies jedoch so geschickt, dass das Material weiterhin farblos und transparent bleibt. Das Forschungsteam der Universität Kassel hat im Rahmen eines interdisziplinären Projektes leitfähigen Beton, genannt „DysCrete“, entwickelt, der nach dem Prinzip der Photosynthese Strom erzeugt. Faszinierend dabei ist, dass eine der Methoden auf größtmögliche Transparenz des Materials setzt, während die andere auf dem Prinzip einer Farbstoffsolarzelle (oder Grätzel-Zelle) basiert.

Transparenz gegen Disco-Feeling beim Arbeiten

Wie Richard Lunt, Dozent für Chemical Engineering und Materialwissenschaften an der MSU, es ausdrückt: „Niemand möchte hinter Buntglasscheiben arbeiten. Es sorgt für eine sehr bunte Umgebung, als würde man in einer Disco arbeiten.“ Daher sei ihr Ansatz gewesen, die Leuchtstoff-Schicht transparent zu machen. Um das zu erreichen, entwickelten Lunt und seine Kollegen organische Moleküle, die zum Beispiel nur ultraviolettes und nah-infrarotes Licht absorbieren, das für das menschliche Auge nicht sichtbar ist. Die nun angeregten Moleküle transportieren die Ladung dann zu schmalen Solarzellen-Streifen, die sich an der Seite des Plastikstücks befinden. Dort wird die Energie in Strom umgewandelt. Da die vom Material absorbierten Wellenlängen für uns nicht sichtbar sind, bleibt die Beschichtung transparent und farblos (siehe Fotogalerie).

Bunter Beton als Stromlieferant

Im Gegensatz zur optisch ansprechenden Fenster-Solarzelle besteht „DysCrete“, eine Entwicklung der Forschungsplattform „Bau Kunst Erfinden“ aus  einem speziellen leitfähigen Beton, der die Funktion einer Elektrode übernimmt. Darauf werden Lagen aus Titandioxid, einer organischen Flüssigkeit, einem Elektrolyt, Graphit und einer transparenten Schicht aufgetragen. Dadurch wird auf dem Beton eine Farbstoffsolarzelle hergestellt. Die Beschichtungen werden dabei von der Forschungsgruppe immer weiter optimiert, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Bereits jetzt besitzt die Farbsolarzelle den Vorteil, auch bei diffusem Licht arbeiten zu können.

Große Pläne für die Zukunft

Prototypen des Sonnenstrom-Betons und der transparenten „Solarzelle“ gibt es bereits (siehe Fotogalerie). Sollten sich die beiden Technologien auch im größeren Maßstab umsetzen lassen, würde damit ein breites Spektrum von Anwendungsgebieten ermöglicht. „Unser Ziel ist es, ein Material zu entwickeln, das in Zukunft in der Bauwirtschaft eingesetzt werden kann, beispielsweise für Fertigteile im Hochbau, Fassaden-Elemente und neuartige Wandsysteme“, erklärt Heike Klussmann, die Leiterin des Fachgebiets Bildende Kunst an der Universität Kassel. „Zugleich liefert es als Solarzelle einen Beitrag zu einer nachhaltigen und dezentralen Energieversorgung.“

„Die Technologie könnte auf hohen Gebäuden mit vielen Fenstern eingesetzt werden oder auf jeder Art von Mobilgerät, das ästhetisch aussehen muss, wie ein Smartphone oder ein E-Reader. Schlussendlich wollen wir Oberflächen zur Nutzung von Solarenergie erschaffen, die einem bisher nicht einmal bewusst sind“, so Lunt. Mit einem Wirkungsgrad von ungefähr 1 % für die Glasbeschichtung gibt es noch viel Raum für Verbesserungen. Lunts Forschungsgruppe möchte eine Effizienz von 5 % erreichen, sobald die Erfindung ausgereift ist.

Bisher haben also beide Methoden noch keine sehr großen Wirkungsgrade, doch beim Beton würde sich bereits eine Effizienz von 2 % rechnen, so Thorsten Klooster, Projektleiter Forschung am Fachgebiet Bildende Kunst : „Das rechnet sich deswegen, weil die Herstellungskosten von Farbstoffzellen deutlich geringer sind als die von Silicium-Solarzellen.“ Außerdem seien die Ausgangsmaterialien leicht zu beschaffen, umweltfreundlich und recycelbar. Zusätzlich ließen sich „DysCrete-Solarzellen“ in der für Photovoltaik-Anlagen meist weniger attraktiven Nordausrichtung einsetzen, da sie auch diffuses Licht nutzen können. Alles in allem dürfen wir uns in der Materialwissenschaft und der Bautechnik wohl auf spannende Entwicklungen freuen.

Tanja Peschel

Bau Kunst Erfinden“ vereint die Fachgebiete Bildende Kunst und Werkstoffe des Bauwesens und der Bauchemie. Hier arbeiten  Nanostrukturwissenschaftler, Architekten, Materialwissenschaftler und Kunstexperten zusammen und werden dabei von Industriepartnern unterstützt. Das Projekt „DysCrete“  wird dabei vom Bundesbauministerium mit rund 150.000 € gefördert und läuft zunächst noch bis Mitte 2015.