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© Dagmar Heene / WWF
Solarzellen, die sich biegen lassen ...


von seastar
23.11.2014
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 Es ist vier Uhr nachmittags und Julia steht am Bahnhof. Und zwar schon seit einer halben Ewigkeit. Auf ihrer S-Bahn-Linie gibt es wieder mal Probleme: „Achtung Fahrgäste! Aufgrund einer Störung wird die S3 nach Kiezlingen, Abfahrt 16.15 Uhr, vorraussichtlich 20 Minuten später eintreffen. Bitte informieren Sie sich am Bahnsteig sowie im Internet.“ Na toll, dass ist jetzt schon die dritte S-Bahn, bei der das durchgesagt wird! Und zu allem Überfluss hat Julia gestern Abend auch noch vergessen, ihr Handy aufzuladen. Aber halt, sie hat doch jetzt das neue Handy! Sie nimmt es raus und ... legt es kopfüber auf ihren Schoß.

Warum tut sie das? Julias Geschichte findet in naher Zukunft statt und ihr neues Handy hat eine Besonderheit: Auf seiner Rückseite befindet sich eine organische Solarzelle, mit deren Hilfe es sich aufladen kann, wenn man es in die Sonne legt.
Organische Feststoffsolarzellen, englisch „Heterojuction Solar Cells“, bestehen aus so genannten organischen Halbleitermaterialien. Das sind Stoffe, die hauptsächlich aus Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen zusammengesetzt sind. Die Kohlenstoffatome bilden Ketten oder Ringe aus, wobei sich zwischen den Atomen jeweils abwechselnd eine und zwei Elektronenpaarbindungen befinden. Die zweiten Bindungen können dabei umklappen und so ihre Position wechseln. Man sagt, die Stoffe besitzen ein konjugiertes Elektronensystem.
Solche organischen Halbleitermaterialien wären zum Beispiel bestimmte Polymere, also Plastikmoleküle, oder organische Farbstoffe. Wenn auf diese ein Lichtteilchen, ein so genanntes Photon, trifft, hebt es ein Elektron aus der konjugierten Bindung in einen höheren Energiezustand an: Im Molekül befinden sich nämlich die Elektronen, je nachdem wie viel Energie sie haben, auf verschiedenen Energieniveaus. Das Elektron aus der konjugierten Elektronenpaarbindung befindet sich im energetisch höchsten mit Elektronen besetzten Energieniveau. Es „schluckt“ jetzt das Photon, das aus Energie besteht, und wird dadurch in das niedrigste vorher nicht mit Elektronen besetzte Energielevel, also eine Stufe höher, transportiert. Im Energieniveau, wo das Elektron herkommt, fehlt es jetzt: Dort ist eine Elektronenfehlstelle, ein so genanntes Loch entstanden. Nun haben wir also ein Molekül mit einem Elektron-Loch-Paar. Und weiter?
In der organischen Solarzelle befinden sich noch weitere organische Halbleiter-Moleküle. Meistens hadelt es sich dabei um Fullerene: Das sind ein Millionstel Millimeter kleine, kugelförmige Moleküle aus Kohlenstoff-Ringen, die wegen ihres Aussehens auch oft als Fußball-Moleküle bezeichnet werden. Ihr höchstes freies Energieniveau liegt unter dem der Moleküle, in denen sich das angeregte Elektron-Loch-Paar befindet. Da das Elektron lieber weniger Energie haben „möchte“, „fällt“ es in das Fulleren runter. Jetzt kann es durch Umklappen der konjugierten Elektronenbindungen und so genanntes „Hopping“, einer Art Hüpfen zwischen den Molekülen, zu einer Elektrode der Solarzelle wandern: Einer Schicht, die meistens aus stromleitendem, durchsichtigem Indium-Zinn-Oxid besteht, und an den Stromkreis angeschlossen ist. Das Elektron fließt dann durch den Stromkreis zur anderen Elektrode der Solarzelle, meistens einer Aluminium-Schicht. Dort wird es schon vom Loch „erwartet“, das ebenfalls durch Umklappen von Elektronenpaarbindungen und Hopping zur Aluminium-Elektrode gewandert ist, und füllt es auf. Man sagt: Elektron und Loch rekombinieren.
So kehrt die Solarzelle quasi wieder in ihren Ausgangszustand zurück und da dieser Prozess nicht nur beim einem, sondern bei ganz vielen Elektron-Loch-Paaren stattfindet, entsteht durch das Fließen der Elektronen durch den Stromkreis Strom, den z.B. Julia benutzen kann um ihr Handy aufzuladen.

Wieso hat sie jetzt aber gerade eine organische Solarzelle auf der Rückseite ihres Handys und nicht irgendeine Andere? Organische Solarzellen haben den wesentlichen Vorteil, dass sie extrem dünn sind: Nur zwei Tausendstel Millimeter oder dünner. Dadurch sind sie auch sehr leicht und eignen sich gut für die Anwendung auf mobilen Geräten wie Handys. Außerdem sind sie, da sie ja aus Plastik und Ähnlichen Stoffen sind, biegbar, wodurch man sie auf Autodächern oder anderen gewölbten Oberflächen, aber auch auf Jacken, Taschen oder Zeltdächern anbrigen kann. So könnte man z.B. auf einem Camping-Trip Strom für einen Elektroherd oder ein Nachtlicht produzieren oder dafür sorgen, dass Elektroautos länger fahren.
Welchen entscheidenden Vorteil hat Plastik noch? Richtig, es ist meistens durchsichtig oder halb-durchsichtig. Dass führt dazu, dass man organische Solarzellen auch in Fenstern und Gebäudefassaden einbauen kann. So hat man zum Beispiel die Vision, den Maintower in Frankfurt mit Hilfe organischer Solarzellen in ein großes Solarkraftwerk umzuwandeln. Für diesen Zweck ist es auch sehr praktisch, dass organische Solarzellen nicht nur direkt einstrahlendes, sondern auch schwaches und gestreutes Licht gut in Strom umwandeln können. Und sie sind dadurch, dass sie wegen ihrer geringen Dicke so wenig Material brauchen und dieses auch noch einfach zu gewinnen und zu verarbeiten ist, kostengünstig und umweltfreundlich produzierbar: Sie werden einfach mit speziellen Maschinen gedruckt! Deshalb war Julias Handy auch nicht allzu teuer.


Cal Poly SLO: Organic Solar Cells © flick via cc_DrWurm

Organische Solarzellen sind also die Solarzellen für neue Anwendungsbereiche in der Zukunft und werden darum momentan auch intensiv erforscht. Denn noch haben sie zwei kleine Haken: Einerseits wäre da der geringe Wirkungsgrad von nur 12%, d.h. dass nur 12% der Energie des Lichts in elektrische Energie umgewandelt werden können. Zum Vergleich: Eine herkömmliche Solarzelle aus Silizium schafft etwa doppelt so viel. Allerdings ist der Wirkungsgrad in den letzten Jahren stark verbessert worden und man sieht da noch ziemlich viel Potenzial nach oben.
Das zweite Problem ist die geringe Langzeitstabilität von organischen Solarzellen: Momentan haben sie eine Lebensdauer von nur wenigen tausend Stunden, da eindringendes Wasser und eindringender Sauerstoff aus der Luft sie schädigen. Da will man nun mit immer besseren Schutzschichten Abhilfe schaffen: Forscher aus Singapur haben zum Beispiel ein System entwickelt, in dem Millionstel Millimeter kleine Teilchen die Poren der organischen Solarzelle, durch die normalerweise Wasser und Sauerstoff eindrigen, verstopfen, wodurch nur noch ein Tausendstel der Menge Wasser, die vorher hereinkam, eindrigen kann.

In der Solarzelle auf Julias Handy, dass ja in naher Zukunft gebaut wird, sind diese Verbesserungen, die Forscher momentan erfinden, schon drin, sie ist also langzeitstabil und hat einen einigermaßen ausreichenden Wirkungsgrad. So ist denn auch Julias Handy, als sie es nach zehn Minuten wieder umdreht, zu 10% aufgeladen. Das reicht gerade so, um ihre Mutter anzurufen, die sie kurz darauf mit dem E-Auto abholt.

 


Zum Weiterlesen: In diesem Artikel geht es um die organische Feststoff-Solarzelle. Es gibt auch noch andere Typen von organischen Solarzellen: Die Energiegruppen des 2°Campus 2012 und 2013 haben sich mit der Farbstoff-Solarzelle, auch bekannt als Grätzel-Zelle, beschäftigt. Wie die funktioniert und was sie da alles herausgefunden haben, könnt ihr bei ihren Ergebnissen nachschauen.
Außerdem habe ich meine Seminararbeit zum Thema „Nanotechnologie in der Photovoltaik“ geschrieben. Wer sich also dafür interessiert, wie kleinste Teilchen Solarzellen verbessern, kann sich bei mir melden, dann schicke ich sie ihm / ihr gerne zu.

Titelbild: The NoonSolar Handbag © flick via cc_Canada Science and Technology Museum

Quellen (zum Nach- und Weiterlesen):

Internet:
http://www.uni-ulm.de/fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.190/PDF-Dateien_Sonstige/Organische_Photovoltaik_GDCh-Webpage_KW_11_1.pdf
http://intern.ipv.uni-stuttgart.de/content/web9/docs/OrganischeSolarzellen.pdf
http://www.weltderphysik.de/gebiete/technik/energie/gewinnungumwandlung/solarenergie/photovoltaik/ organische-solarzellen/
http://www.faz.net/aktuell/wirtschaft/wirtschaftspolitik/energie-wolkenkratzer-als-solarkraftwerke-1434799-p2.html?printPagedArticle=true#pageIndex_2
http://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/news/2012/eine-solarzelle-zum-knittern-rollen-und-dehnen/
http://www.weltderphysik.de/gebiet/technik/news/2008/laengere-lebensdauer-fuer-organische-solarzellen/

Bücher:
Booker, R. und Boysen, E., Nanotechnologie für Dummies, Weinheim, Wiley-VCH-Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006
Hartmann, U., Nanotechnologie, Heidelberg, Elsevier, Spektrum, Akademischer Verlag, 2006
Boeing, N., NANO?! Die Technik des 21. Jahrhunderts, Berlin, Rowohlt • Berlin Verlag, 2004
Schwarz, C., Ladungsträgertrennung in organischen Donor-Akzeptor Solarzellen, Bayreuth, Universität Bayreuth, 2014

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Kommentare (6)
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Sortieren nach Aktualität:
19.12.2014
Ivonne hat geschrieben:
Ein super Bericht!!!
07.12.2014
Ria2000 hat geschrieben:
Cool! :)
02.12.2014
Taki hat geschrieben:
Super Idee.
24.11.2014
Jayfeather hat geschrieben:
super bericht :)
das erste mal in meinem Leben, dass mir der chemie unterricht etwas bringt^^
Wenn man die organischen Solarzellen noch weiter entwickelt, werden sie echt ein großer Schritt in die richtige Richtung sein. Vor allem, wenn die Produktion kostengünstig bleibt, wie du geschrieben hast.
24.11.2014
seastar hat geschrieben:
Danke :) Zu der Erklärung der Funktionsweise: Für den Fall, dass das nicht ganz klar ist: Der Aufbau der organischen Solarzelle ist ITO-Elektrode, organische Halbleiter (Fullerene & Plastik / Farbstoffe), Aluminium-Elektrode. An den Elektroden ist mit einem Draht o.Ä. das stromverbrauchende Gerät angeschlossen, durch das Strom, also Elektronen, fließt. Außerdem würde ich dir da die ersten drei Quellen-Links empfehlen, da sind gute Schaubilder drin (die könnte ich leider nicht in den Artikel reinstellen, weil ich die Rechte daran nicht habe). Falls du noch Fragen dazu hast, schreib mir einfach :)
24.11.2014
strumpfmitloch hat geschrieben:
Ich finde es sehr cool, dass du hier darüber schreibst, wie Solarzellen in den Alltag integriert werden können.
Zwar habe ich jetzt gerade noch nicht so viel von den wissenschaftlichen Erklärungen verstanden, werde den Artikel deshalb nochmal lesen.
Deine Erklärungen klingen nämlich schonmal verständlich.
Auch den Aufbau dieses Berichtes finde ich sehr gelungen.
Lg Janchen
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