Gedruckte Solarzellen auf Papier
15.09.2011 — Online-Redaktion Verlag Dashöfer. Quelle: Baudienst.
Die Nutzung von Sonnenenergie zur Stromerzeugung ist in aller Munde. Doch herkömmliche Solarzellen verwenden teure Materialien und werden aufwändig in Reinräumen hergestellt, so dass sie nur teuren Strom liefern können. Forscher der Technischen Universität Chemnitz haben nun Solarmodule vorgestellt, die auf Papier gedruckt werden. Die 3PV genannte Technologie (3PV steht für printed paper photo voltaics) setzt auf herkömmliche Druckverfahren und Standardpapiere, wie sie bei Zeitschriften, Plakaten oder Verpackungen eingesetzt werden. Spezielle Druckfarben mit elektrischen Eigenschaften bilden dann die notwendigen Strukturen auf dem Papier, so dass bei Lichtbestrahlung Strom entsteht. Da die hierbei eingesetzten klassischen Druckverfahren wie Tief-, Flexo- und Offsetdruck sehr kostengünstig sind, sollen die so produzierten Solarmodule im Vergleich zur heute üblichen Technologie billigeren Strom produzieren. Prof. Dr. Arved Hübler vom Institut für Print- und Medientechnik der TU Chemnitz, der mit seinem Team seit über drei Jahren an der 3PV-Technologie arbeitet, spricht von einem Paradigmenwechsel in der Solartechnologie. Seine Vision ist, dass in Zukunft normale Druckereien überall auf der Welt 3PV-Solarmodule produzieren und vermarkten können.
Ein etwa 15 mal 15 Zentimeter großes Solarmodul besteht aus mehreren Streifen Solarzellen. Diese auf Papier gedruckten 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. Foto: pmTUC/Bystrik Trnovec
Ihre Ergebnisse haben die Chemnitzer Forscher nun in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht. Dort berichten Hübler und seine Mitarbeiter Tino Zillger, Bystrik Trnovec, Mozzam Ali und Nora Wetzold, die von Kollegen von der Universität Würzburg bei der Charakterisierung der Zellen unterstützt wurden, dass mit den in Chemnitz gedruckten Zellen ein Wirkungsgrad in der Energieumwandlung von 1,3 Prozent erreicht wurde. Dabei wird ein neuer Materialansatz verfolgt, indem man als Basiselektrode natürlich oxidiertes Zink mit einem speziellen Druckprozess aufbringt und die transparente Gegenelektrode mit PEDOT, einem leitfähigen Polymer druckt. „Die verwendeten Materialien werden laufend optimiert und wir sind guter Dinge, die 3PV-Parameter weiter zu verbessern“, sagt Tino Zillger, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Print- und Medientechnik und für das Projekt verantwortlich. Das man auf der Rollendruckmaschine im Labor des Institutes für Print- und Medientechnik schon sehr stabil 3PV-Module produzieren kann, überrascht das Team um Hübler selbst ein bisschen. "Unsere lange Erfahrung auf dem Gebiet der gedruckten Elektronik zahlt sich hier wohl aus", so der Inhaber der Professur Printmedientechnik.
Hübler geht aber davon aus, dass Papiersolarzellen zukünftig aufgrund der effizienten Produktion und der niedrigen Materialkosten insgesamt einen deutlichen Vorteil gegenüber dem heutigen Stand der Technik erzielen können. 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. „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.
Doch ist die Vision, mit Papiersolarzellen einen wirtschaftlichen Beitrag zur allgemeinen Energieversorgung leisten zu können, nur eine Nutzungsmöglichkeit. Die Forscher der TU Chemnitz haben schon gezeigt, dass auch kleine elektrische Geräte mit diesen Papiersolarzellen gut zu betreiben sind. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mobile Dinge einfach und autark mit dem Strom aus Papier zu versorgen. Intelligente Verpackungen könnten etwa in Zukunft mit aufgedruckten Solarzellen viele Zusatzfunktionen mit Strom versorgen, vom Display bis zu Sensoren. Die Handhabung der Papier-Solarmodule kann denkbar einfach sein. Tino Zillger zeigt eine mögliche Lösung mit den am Institut für Print- und Medientechnik hergestellten 3PV-Modulen: Die Papierstreifen werden mit normalen Druckknöpfen zusammengeknöpft, und sofort fließt Strom. Nach der Verwendung können die Papiermodule ins Altpapier zum Recycling gegeben werden. So wird laut Hübler nicht nur erneuerbare Energie erzeugt, sondern die Solarzelle selbst besteht aus nachwachsenden Rohstoffen und ist selber erneuerbar.
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Quelle: Technische Universität Chemnitz
Ein etwa 15 mal 15 Zentimeter großes Solarmodul besteht aus mehreren Streifen Solarzellen. Diese auf Papier gedruckten 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. Foto: pmTUC/Bystrik Trnovec
Ihre Ergebnisse haben die Chemnitzer Forscher nun in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials veröffentlicht. Dort berichten Hübler und seine Mitarbeiter Tino Zillger, Bystrik Trnovec, Mozzam Ali und Nora Wetzold, die von Kollegen von der Universität Würzburg bei der Charakterisierung der Zellen unterstützt wurden, dass mit den in Chemnitz gedruckten Zellen ein Wirkungsgrad in der Energieumwandlung von 1,3 Prozent erreicht wurde. Dabei wird ein neuer Materialansatz verfolgt, indem man als Basiselektrode natürlich oxidiertes Zink mit einem speziellen Druckprozess aufbringt und die transparente Gegenelektrode mit PEDOT, einem leitfähigen Polymer druckt. „Die verwendeten Materialien werden laufend optimiert und wir sind guter Dinge, die 3PV-Parameter weiter zu verbessern“, sagt Tino Zillger, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Print- und Medientechnik und für das Projekt verantwortlich. Das man auf der Rollendruckmaschine im Labor des Institutes für Print- und Medientechnik schon sehr stabil 3PV-Module produzieren kann, überrascht das Team um Hübler selbst ein bisschen. "Unsere lange Erfahrung auf dem Gebiet der gedruckten Elektronik zahlt sich hier wohl aus", so der Inhaber der Professur Printmedientechnik.
Hübler geht aber davon aus, dass Papiersolarzellen zukünftig aufgrund der effizienten Produktion und der niedrigen Materialkosten insgesamt einen deutlichen Vorteil gegenüber dem heutigen Stand der Technik erzielen können. 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. „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.
Doch ist die Vision, mit Papiersolarzellen einen wirtschaftlichen Beitrag zur allgemeinen Energieversorgung leisten zu können, nur eine Nutzungsmöglichkeit. Die Forscher der TU Chemnitz haben schon gezeigt, dass auch kleine elektrische Geräte mit diesen Papiersolarzellen gut zu betreiben sind. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, mobile Dinge einfach und autark mit dem Strom aus Papier zu versorgen. Intelligente Verpackungen könnten etwa in Zukunft mit aufgedruckten Solarzellen viele Zusatzfunktionen mit Strom versorgen, vom Display bis zu Sensoren. Die Handhabung der Papier-Solarmodule kann denkbar einfach sein. Tino Zillger zeigt eine mögliche Lösung mit den am Institut für Print- und Medientechnik hergestellten 3PV-Modulen: Die Papierstreifen werden mit normalen Druckknöpfen zusammengeknöpft, und sofort fließt Strom. Nach der Verwendung können die Papiermodule ins Altpapier zum Recycling gegeben werden. So wird laut Hübler nicht nur erneuerbare Energie erzeugt, sondern die Solarzelle selbst besteht aus nachwachsenden Rohstoffen und ist selber erneuerbar.
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Quelle: Technische Universität Chemnitz
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