Sonnige Aussichten

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Noch ist die Natur als Energieerzeugerin ungeschlagen. Aber die Solar-Techniker holen auf.

erschienen in Maßstäbe Kundenmagazin der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Der Kalender zeigt Herbst, doch in Freiburg knallt die Sonne vom wolkenlosen Himmel. Verschwenderisch verteilt sie ihr unerschöpfliches Energieangebot auf die Dächer der Stadt und zaubert südliches Flair. Exakt 1.846 Sonnenscheinstunden hat der Deutsche Wetterdienst hier im letzten Jahr gemessen – rund 300 Stunden über dem deutschen Mittel. Was Besuchern aus dem kühleren Norden den Schweiß aus den Poren treibt, sorgt in Deutschlands südlichster Großstadt für Strom und warmes WasserDas städtische Umweltschutzamt hat nachgezählt: Aktuell verwandeln 362 über die Stadt verteilte Photovoltaik-Anlagen Sonnenlicht in elektrische Energie. Dazu kommen mindestens 6.744 Quadratmeter Sonnenkollektoren, die Warmwasser produzieren.

Solarenergie hat in Freiburg Konjunktur – und nicht erst seit dem „Erneuerbare-Energien-Gesetz“, das seit über zwei Jahren bundesweit Strom aus regenerativen Quellen fördert. Schon 1986 hatte sich der Gemeinderat entschieden, künftig auf alternative Energieversorgung zu setzen. Die Folgen prägen heute das Stadtbild: zum Beispiel der 60 Meter hohe, bläulich glitzernde „Solartower“ am Hauptbahnhof. Rund 240 Solarstrommodule, verteilt auf 19 Stockwerke, liefern Elektrizität für das technische Innenleben des Gebäudes. Zur wahren „Solar-Region“ wird die Gegend aber durch die vielen Firmen und Forschungseinrichtungen, die sich vor Ort dem Thema Sonnenenergie widmen. Zum Beispiel das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Vor rund 20 Jahren gegründet, ist es heute Europas größtes Solarforschungsinstitut. Über 120 Mitarbeiter entwickeln Systeme und Komponenten für die Bereiche Photovoltaik, Solarthermie, Solares Bauen und Energietechnik.

Tüfteln an den Energiequellen der Zukunft

In einem Flügel des dreigeschossigen ISE-Gebäudes tüfteln Andreas Hinsch und etwa ein Dutzend Kollegen, darunter Wissenschaftler vom Freiburger Materialforschungszentrum (FMF), an den Solarzellen der Zukunft. Eine ihrer Visionen: Flexible „Plastik“-Solarzellen, die sich auf Kleidung, Geräten und Fahrzeugen anbringen oder integrieren lassen. Die biegsamen Zellen könnten auch Architekten zu ganz neuen Gebäude-Designs inspirieren.

Bisher schaffen die organischen Solarzellen aus elektrisch leitenden Kunststoffen allerdings nur kärgliche drei Prozent Wirkungsgrad. Denn die dünnen organischen Schichten absorbieren noch nicht genug Licht. Mittels spezieller Nano-Strukturen, raffinierter „Lichtfallen“ auf der Oberfläche der Zellen, wollen die Fraunhofer-Forscher die Leistung steigern. „Von einer technologischen Umsetzung sind wir aber noch weit entfernt“, sagt Rainer Kern, Physiker und Mitarbeiter im Forschungsteam.

Schon weiter gediehen ist dagegen das zweite Projekt der Wissenschaftler: Solarzellen, die kein teures Silizium benötigen, sondern mit Hilfe von Farbstoff Strom produzieren. Pate steht dabei ein umweltfreundlicher, aber höchst komplizierter Vorgang: die Photosynthese. Bei diesem Prozess wandelt Chlorophyll, der grüne Blattfarbstoff, Sonnenenergie in Zucker, also chemische Energie, um. „Salat oder Osterglocke – jede grüne Pflanze führt uns eindrucksvoll vor, wie mit Licht und Farbstoffen Energie erzeugt werden kann“, sagt Andreas Hinsch.

Schon lange träumen Wissenschaftler davon, die Photosynthese für die Energiegewinnung nutzbar zu machen. Ob in der Natur oder im Labor – damit sich Sonnenenergie einfangen lässt, bedarf es geeigneter Moleküle. Bei den Pflanzen absorbieren die Blattpigmente, die sich konzentriert in den Chloroplasten – kleinen Körperchen, quasi natürlichen Sonnenkollektoren – befinden, Licht verschiedener Wellenlängen. Das erhöht den Energiegehalt der Chlorophyllmoleküle, regt sie gewissermaßen an, und setzt eine Vielzahl von nützlichen Folgereaktionen in Gang, die dann auch im Dunkeln ablaufen können.

Paradebeispiel der Bionik

Was in der Natur seit Jahrmillionen klappt, ahmen die ISE-Forscher nun mit Hilfe der Technik nach – ein Paradebeispiel der Bionik, noch dazu mit kostengünstigen Materialien und einfachen Herstellungsschritten: Die Aufgabe des Chlorophylls übernimmt in den Solarzellen eine extrem dünne Lage eines farbigen Edelmetallkomplexes. Die aktiven Schichten machen zusammen nur 20 Mikrometer aus – das entspricht einem Drittel der Dicke des menschlichen Haars. Um mit der Nano-Solarzelle eine möglichst hohe Energieausbeute zu erzielen, muss das Schlüsselelement, der eingesetzte Farbstoff, wie in der Natur, ein breites Spektrum des Sonnenlichts nutzen und der stattfindende Elektronentransfer möglichst rasch vor sich gehen.

Die Forscher bauen ihre „künstlichen Blätter“ daher aus Glasplättchen, die zuerst mit einer transparenten und leitenden TCO (Transparent Conducting Oxide)-Schicht versehen worden sind; sie dienen als Elektrode. Da umso mehr Licht eingefangen wird, je größer die verfügbare Oberfläche ist, bedrucken Hinsch und sein Team die Glasplättchen anschließend mit Titandioxid (TiO2), einem kostengünstigen Allerweltsmaterial, das sich auch als Pigment in Sonnenschutzmitteln und Farben findet. Sie schaffen so eine nano-poröse Oberflächenstruktur, die tausendmal größer ist als eine glatte Fläche, was die Aufnahme von Lichtteilchen, den Photonen, verbessert.

Diese Oberfläche überziehen sie dann mit Farbstoffmolekülen. Chlorophyll eignet sich dafür jedoch nicht, denn es ist nicht stabil genug und zerfällt nach einiger Zeit. Bei der Photosynthese stellt dies kein Problem dar, da die Chloroplasten das Chlorophyll optimal schützen und die Natur ständig für unerschöpflichen Blattwuchs sorgt. In der Technik haben sich inzwischen Ruthenium-Komplex-Verbindungen als lichtstabil bewährt und durchgesetzt.

Damit die Solarzelle richtig arbeitet, bedarf es noch einer Gegenelektrode – ein platiniertes TCO-Glasplättchen übernimmt diese Funktion. Den Zwischenraum zwischen beiden Elektroden füllt ein leitender, flüssiger Elektrolyt. Trifft nun ein Photon auf die Solarzelle, bringt es – ähnlich wie in den Chloroplasten – ein Farbstoffmolekül in einen energetisch angeregten Zustand, von dem aus ein Elektron ungeheuer schnell in das Leitungsband des Halbleiters Titandioxid injiziert wird.

Dieser extrem rasche Elektronenfluss dauert – wie ein internationales Forscherteam vor kurzem herausgefunden hat – nur drei Billiardstel Sekunden. Das angeregte Elektron bewegt sich durch das poröse Titandioxid zur TCO-Elektrode, gibt seine Energie an ein elektrisches Gerät ab, gelangt zur Gegenelektrode und über den Elektrolyten wieder zum Farbstoff.

Noch ganz klappt die Imitation von Mutter Natur jedoch nicht. Probleme macht die Abdichtung der Solarzellen über einen längeren Zeitraum hinweg, denn die darin enthaltene Flüssigkeit könnte eventuell auslaufen. Im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten des ISE-Teams steht daher die langzeitstabile Versiegelung der Zellen, der eventuelle Ersatz des flüssigen Elektrolyten durch einen festen und die Entwicklung einer Technologie, mit der auch großflächige Solarkomponenten hergestellt werden können.

Mit den Farbstoffsolarzellen lässt sich zurzeit ein Wirkungsgrad von 8 % erzielen. Die Wissenschaftler wollen ihn noch auf 12 % steigern. Zwar schaffen konventionelle Siliziumzellen mehr als das Doppelte, aber dennoch könnten die innovativen Solarzellen schon bald konkurrenzfähig werden. Denn sie lassen sich mit herkömmlichen Techniken aus dem Siebdruck – zum Aufbringen des Titandioxids – und der Glasherstellung fertigen und benötigen keine aufwendige und teure Reinraum-Technik. Auch geht der Trend inzwischen zu möglichst vielfältigen Zellenvarianten, um allen denkbaren Anwendungsbereichen gerecht zu werden.

„Farbstoffsolarzellen werden Siliziumzellen nie ersetzen, sondern die Palette einfach erweitern“, bestätigt Rainer Kern. Sie werden farbige Fassaden und Fenstermodule bilden oder, eingebaut in preisgünstige Solar-Home-Systeme, Häuser auch abseits von Siedlungen mit Strom versorgen. Noch zwei bis fünf Jahre, schätzt der Physiker, dann könnten die Farbstoffsolarzellen des ISE auf den Markt kommen. Und der boomt. Nach einer Studie aus der Schweiz gehört die Photovoltaik-Industrie weltweit inzwischen zu den wachstumsstärksten Branchen. Global nimmt die Solarzellen-Produktion um durchschnittlich 17 % pro Jahr zu, in den kommenden fünf Jahren sollen es gar bis zu 20 % sein. (Text gekürzt)

Almut Bruschke-Reimer

Originalartikel (PDF-Download)