Hemdsärmelige Stromversorgung

  • 07. August 2014

Faserförmige Perowskit-Solarzellen zeigen hohe Flexibilität für Einsatz in Textilien.

Die ideale Stromversorgung für kleine, in Kleidungsstücke eingearbeitete elektronische Geräte sind textile Solarzellen. Chinesische Wissenschaftler stellen nun neuartige faserförmige Solarzellen vor, die sich zu einem textilen Gewebe verarbeiten lassen. Die flexiblen koaxialen Zellen basieren auf einem Perowskit-Material sowie Kohlenstoffnanoröhrchen und zeichnen sich durch eine hohe Energieumwandlungseffizienz sowie niedrige Herstellungskosten aus.

Seitenansicht spinnbarer Fasern mit einer Höhe von 250 Mikrometern

Abb.: Seitenansicht spinnbarer Fasern mit einer Höhe von 250 Mikrometern (Bild: L. Qiu et al.)

Das Dilemma bei Solarzellen ist nämlich: Entweder sind sie kostengünstig und wenig effizient oder sie haben einen vernünftigen Wirkungsgrad, sind aber sehr teuer. Eine Lösung erhofft man sich von Solarzellen aus Perowskit-Materialien, die kostengünstiger als Silizium sind und keine teuren Zusatzstoffe benötigen. Perowskite sind Stoffe mit einer Kristallstruktur, die der des Perowkits, eines Calciumtitanats, entspricht. Derartige Strukturen sind oft Halbleiter und absorbieren Licht vergleichsweise effizient. Vor allem aber können durch Licht angeregte Elektronen sehr weite Strecken innerhalb des Kristallgitters zurücklegen, bevor sie in ihren energetischen Grundzustand zurückfallen und wieder einen festen Platz einnehmen – eine Eigenschaft, die für Solarzellen sehr wichtig ist.

Das Team um Huisheng Peng von der Fudan University in Shanghai hat nun erstmals Perowskit-Solarzellen in Form flexibler Fasern entwickelt, die sich zu elektronischen Textilien verweben lassen. Das Herstellverfahren ist dabei vergleichsweise einfach und kostengünstig, da der Schichtaufbau durch Lösungsverfahren erfolgt.

Ein feiner Stahldraht als Anode wird zunächst mit einer kompakten n-halbleitenden Titandioxid-Schicht überzogen. Darauf kommt eine Schicht aus porösem nanokristallinem Titandioxid. Sie liefert eine große Oberfläche für die anschließende Abscheidung des Perowskit-Materials. Darauf schließt sich eine Schicht aus einem speziellen organischen Material an. Abschließend wird eine transparente Schicht aus ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen kontinuierlich aufgewickelt, die als Kathode dient. Die resultierende Faser ist so fein und flexibel, dass sie sich zu Textilien weben lässt.

Die Perowskit-Schicht absorbiert Licht, das Elektronen anregt, freisetzt und dadurch eine Ladungstrennung in Elektronen und formal als positive Ladungsträger betrachtete „Löcher“ auslöst. Die Elektronen gelangen in das Leitungsband der kompakten Titandioxidschicht und weiter zur Anode. Die „Löcher“ werden von der organischen Schicht aufgefangen. Die hohe Oberfläche und die hohe elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoffnanoröhrchen-Kathode begünstigen eine rasche Ableitung der Ladungen mit hohen photoelektrischen Strömen. Die Faser-Solarzelle erreicht eine Energieumwandlungseffizienz von 3,3 Prozent und übertrifft damit alle bisherigen koaxialen faserförmigen farbstoffsensibilisierten oder Polymer-Solarzellen.

Wiley-VCH / DE

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