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Forscher drucken Solarzellen auf Papier

Günstige Herstellung könnte Solarzellen zum Massenprodukt machen

Solarmodul aus mehreren Streifen Papier-Solarzellen. Diese Solarmodule werden mit Druckknöpfen elektrisch verbunden und bilden eine Serienschaltung. An den beiden Enden der Serie wird jeweils ein Anschlusskabel angeknüpft. Die Vorderseite des Moduls besteht aus dem aktiven Schichtaufbau, auf der Rückseite ist das Papiersubstrat zu erkennen. © pmTUC/Bystrik Trnovec

Forscher haben eine Technik entwickelt, mit der sich Solarmodule einfach auf Papier drucken lassen. Das 3PV genannte Verfahren ermögliche die Produktion von Solarmodulen, die sehr billigen Strom produzieren, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“. Zwar erreichen die Papiersolarzellen bisher nur einen geringen Wirkungsgrad, lassen sich dafür aber günstig und in Massen herstellen. Mit ihnen könne man möglicherweise zukünftig auch mobile Geräte mit Strom versorgen.

Die Nutzung von Sonnenenergie zur Stromerzeugung gilt als eine der Energieformen der Zukunft. Doch herkömmliche Solarzellen verwenden teure Materialien und müssen aufwändig in Reinräumen hergestellt werden. Entsprechend teuer sind die Module und damit auch der erzeugte Strom. Forscher der Technischen Universität Chemnitz haben daher nun Solarmodule entwickelt, die statt teurer Halbleitermaterialien einfach Metalloxide, Polymere und Papier nutzen.

Das neue Verfahren nutzt herkömmliche Druckverfahren und Standardpapiere, wie sie bei Zeitschriften, Plakaten oder Verpackungen eingesetzt werden. Spezielle Druckfarben mit elektrischen Eigenschaften bringen die photovoltaisch aktiven Strukturen auf das Papier. Dabei wird zunächst als Basiselektrode natürlich oxidiertes Zink mit einem speziellen Druckprozess aufgetragen und die transparente Gegenelektrode anschließend mit einem leitfähigen Polymer darauf gedruckt.

Wirkungsgrad bei 1,3 Prozent

Bisher habe man mit dieser Technik Solarzellen mit einem Wirkungsgrad in der Energieumwandlung von 1,3 Prozent erreicht, berichten die Forscher. Ziel der weiteren Forschungsarbeiten ist es, den Wirkungsgrad auf über fünf Prozent zu erhöhen, damit ein 3PV-Modul auch bei einer Lebensdauer von unter einem Jahr wirtschaftlich interessant werden kann. „Die verwendeten Materialien werden laufend optimiert und wir sind guter Dinge, die 3PV-Parameter weiter zu verbessern“, sagt Tino Zillger vom Institut für Print- und Medientechnik.

Tino Zillger und Mozzam Ali vermessen die Eigenschaften der gedruckten Solarzellen an einem Tastspitzenmessplatz des Instituts für Print- und Medientechnik © pmTUC

Trotz dieses geringen Wirkungsgrads sehen die Wissenschaftler in ihren Papiersolarzellen einen Paradigmenwechsel in der Solartechnologie. Ihre Vision ist, dass in Zukunft normale Druckereien überall auf der Welt 3PV-Solarmodule produzieren und vermarkten können. Die günstige Produktion und Menge könnte sogar eine Art Wegwerfartikel aus den Solarzellen machen. „In der Natur finden wir ein Vorbild für diese Strategie: Auch grüne Blätter haben nur einen moderaten Wirkungsgrad in der Energieumwandlung von vier bis sieben Prozent und eine Lebensdauer von unter einem Jahr. Trotzdem ist dieser Weg offenbar erfolgreich“, erläutert Hübler.

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Billige Stromversorgung für mobile Geräte denkbar

Doch ist die Vision, mit Papiersolarzellen einen wirtschaftlichen Beitrag zur allgemeinen Energieversorgung leisten zu können, nur eine der Nutzungsmöglichkeiten. Die Forscher haben schon festgestellt, dass auch kleine elektrische Geräte mit diesen Papiersolarzellen gut zu betreiben sind. Damit eröffne sich die Möglichkeit, mobile Dinge einfach und autark mit dem Strom aus Papier zu versorgen, sagen sie. Intelligente Verpackungen könnten etwa in Zukunft mit aufgedruckten Solarzellen viele Zusatzfunktionen mit Strom versorgen, vom Display bis zu Sensoren.

Für einen einfachen Stromkreis genüge es, die Papierstreifen mit normalen Druckknöpfen zusammenzuknöpfen, und sofort fließe Strom. Nach der Verwendung können die Papiermodule ins Altpapier zum Recycling gegeben werden. So werde nicht nur erneuerbare Energie erzeugt, sondern die Solarzelle selbst bestehe aus nachwachsenden Rohstoffen und sei daher erneuerbar, so das Fazit der Forscher. (Advanced Energy Materials, 2011; DOI: 10.1002/aenm.201100394)

(Technische Universität Chemnitz, 15.09.2011 – NPO)

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