Photovoltaiktechnologie: Durchbruch bei der Forschung an organischen Solarzellen und künstlicher Photosynthese

Wissenschaftlern gelangen zwei technische Durchbrüche in der Photovoltaiktechnick. Forschern des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der TU Delft gelang es effizient gewonnene Solarenergie chemisch in Form von Wasserstoff zu speichern. Wissenschaftler der Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg und der Universität Bayreuth gelang es Polymere soweit zu beeinfluss, dass sie selbstständig kleinst-elektronische Aktivität aufwiesen.

Wissenschaftlern gelang es gewonnene Sonnenenergie in Form von Wasserstoff chemisch zu speichern. iStockphoto.com©Richard Schmidt-Zuper (5)

Zwei große technische Probleme werden von Kritikern der Photovoltaiktechnik immer wieder aufgeführt. Zum einen sei die Speicherung der gewonnenen Energie zu schwierig und zum anderen seien Einsatz und Herstellungskosten oft zu unflexibel und unrentabel. In beiden Bereichen veröffentlichten Forschern in den letzten Tagen die großen Fortschritte ihrer Arbeit.

Forscher der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Universität Bayreuth haben erstmals die Struktur langkettiger Moleküle, sogenannter Polymere, derart beeinflussen können, dass sie von selbst kleinste elektronische Aktivität produzieren. Dies stellt einen wichtigen Schritt in der organischen Photovoltaik dar.

Die entwickelten Strukturen seien auf lange Zeit stabil. Die Forscher stellten ein Halbleitermaterial aus Blockcopolymeren her. In der sogenannten Mikrophasenseparation werden die mikroskopische Strukturen selbständig von dem Polymer herausgebildet. Das Blockcopolymer ist aus einem Donorblock und einem Aktzeptorblock aufgebaut. Diese daraus entstehende Nanostruktur ist entscheidend für die Ladungstrennung und kann damit für die Photovoltaiktechnologie nutzbar gemacht werden.

Die gängige Photovoltaiktechnik arbeitet mit anorganischen Materialien wie zum Beispiel Silizium. Die Materialien der organischen Photovoltaik hingegen, sind aus organischem Material aufgebaut, eben jenen langkettigen Molekülen. Den Vorteil sehen die Forscher in der Entwicklung von Fertigungsmaterialien, die explizit an die Bedürfnisse der Photovoltaik angepasst werden und optimal auf die Anforderungen der Solartechnik eingingen. Die Herstellungskosten würden signifikant gesenkt und der Einsatz von PV-Technik wesentlich flexibler. Allerdings ist der Weg zur Anwendung der künstlich hergestellten organischen Materialien noch lang. Derzeit erreichen organische Solarzellen unter Laborbedingungen lediglich einen Wirkungsgrad von rund 10 Prozent. Eine durchschnittliche anorganische Solarzelle erreicht derzeit einen Wirkungsgrad von rund 18 Prozent.

Doch nicht nur bei der organischen Photovoltaik wurden Durchbrüche erzielt. Auch auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese gelang Wissenschaftlern kürzlich eine beachtenswerte Leistung. Unter Verwendung einer durchschnittlichen Solarzelle und einer einfachen Photo-Anode war es Forschern aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und der TU Delft möglich, gewonnene Solarenergie in Form von Wasserstoff zu speichern.

Die verwendete Solarzelle ist deutlich einfacher aufgebaut als die bisher verwandten Hochleistungszellen. Die Forscher sprühten die Photo-Anode aus dem Metalloxid Wismut-Vanadat, das mit zusätzlichen Wolframatomen versetzt wurde, auf die Silizium-Dünnschicht-Solarzelle und trugen zusätzlich einen Kobalt-Phosphat Katalysator auf. Dieses preisgünstige System spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und ermöglicht so die chemische Speicherung der durch die Solarzelle gewonnenen Sonnenenergie in Form von Wasserstoff. Dieser kann wiederum direkt als Brennstoff genutzt oder in Methan umgewandelt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit der Nutzung zur Stromerzeugung in einer Brennstoffzelle. Daneben eröffnen sich Möglichkeiten der längerfristigen Speicherung der gewonnen Sonnenenergie, was insbesondere nachts oder an bewölkten Tagen vorteilhaft ist.

Die Forscher der HZB und TU Delft sind selber von dem Ergebnis überrascht. Prof. Dr. Roel van de Krol, Leiter des HZB-Instituts für Solare Brennstoffe sagte: „Wir verstehen noch nicht sehr gut, warum gerade Wismut-Vanadat so besonders gut funktioniert. Wir haben aber festgestellt, dass mehr als 80 Prozent der eingefangenen Photonen auch genutzt werden, das ist wirklich ein Rekord für ein Metalloxid und war auch physikalisch unerwartet.“ Nun käme es darauf an, die Prozesse hinter dem Ergebnis besser zu verstehen und das System auf Quadratmetergröße zu skalieren. Nur wenn dies gelänge, könnten relevanten Mengen Wasserstoffs erzeugt werden, die das System auch für die Massenfertigung interessant machen würde.

Quellen: SolarServer, CO2-Handel.de