Nº 254
Farbstoffsolarzellen.
From DIY to Solar Chic

Farbstoffsolarzellen erreichen selbst mit derzeitigen Laborspitzenwerten von 13 Prozent nicht annähernd den Wirkungsgrad von Siliziumsolarzellen, die über 20 Prozent der Sonnenenergie in Strom umwandeln können. Allerdings bestechen Farbstoffsolarzellen durch andere Vorzüge.

Der erste Vorteil betrifft die Herstellung: Durch die Verwendung von Farbstoffen zur Absorption des Lichts – ähnlich wie das Chlorophyll in Blättern – ist der Aufbau von Farbstoffsolarzellen so einfach und kostengünstig, dass sie prinzipiell jeder aus überall verfügbaren Materialien herstellen kann. Sogar essbar können sie sein, wie die photoElectric Digestopians des Künstlers Bartaku (siehe form 247). Die Herstellung benötigt zudem wenig Energie und verzichtet auf toxische oder seltene Materialien. Farbstoffsolarzellen sind daher umweltfreundlicher und haben zudem das Potenzial, eine breitere Anwendung zu finden. Der zweite Vorteil liegt in der herausragenden Gestaltbarkeit der Farbstoffsolarzelle. Dies ergibt sich aus ihrem breiten Farbspektrum, ihrer Transparenz und der möglichen Herstellung im Siebdruck oder anderen Druckverfahren – sogar auf flexiblen Trägermaterialien oder als Fadenmaterialien wie in form 244 über textilbasierte Farbstoffsolarzellen des Materialforschungsinstituts TITK Rudolstadt gezeigt. Sie müssen im Gegensatz zu Siliziumsolarzellen nicht versteckt, sondern können sogar als Gestaltungselement in der Architektur und in Produkten eingesetzt werden. Derzeit sind hochwertige Farbstoffsolarzellen mit diesem Potenzial aufgrund der oftmals noch manuellen Produktion in Kleinserien jedoch noch extrem teuer. Sie haben allerdings den Vorteil, preislich nicht mit asiatischen Siliziumsolarzellen in Konkurrenz zu stehen, sondern bedienen eher einen Markt des „Solar Chic“, wie es Toby Meyer von Solaronix beschreibt.


Dieses gestalterische Potenzial der Farbstoffsolarzellen weiß die Produktdesignerin Marjan van Aubel mit ihrem neuen Entwurf Current Table zu nutzen und aufzuzeigen – ein einfacher, ästhetisch überzeugender Tisch, der dank integrierter Solarzellen gleichzeitig Mobiltelefone oder kleine Leuchten mit Strom versorgt. Schon in ihrer vorangegangenen Energy Collection beschäftigte sich Marjan van Aubel mit der funktionalen und gestalterischen Integration von Farbstoffsolarzellen in Alltagsgegenstände. Sie stellte sich die Frage: Was wäre, wenn jedes Objekt Sonnenenergie in Strom umwandeln könnte? Als Antwort entwickelte sie mit der Firma Solaronix eine Kollektion farbiger Trinkgläser, die sich die besondere Eigenschaft der Farbstoffsolarzellen zunutze machen, auch im Innenraum Strom generieren zu können. So bahnbrechend und faszinierend die Serie ist, van Aubel stellte leider fest, dass die Oberfläche dieser recht kleinen Objekte nicht ausreicht, um genügend Strom für die von ihr vorgesehenen Alltagsanwendungen zu produzieren. Daher entstand die Idee des Farbstoffsolar-Tischs. Der Current Table integriert acht Farbstoffsolarzellen in die Tischplatte. Gemeinsam mit Solaronix entwickelte van Aubel eine einzigartige Zellengestaltung, die zwar aus der am effizientesten geltenden Streifenstruktur ausbricht, dennoch keinen Kompromiss aus Gestaltung und Funktion, sondern viel mehr eine Symbiose aus beidem darstellt. Marjan van Aubel war es wichtig, alle Schichten und alle Materialien der Solarzelle zu zeigen und gestalterisch zu nutzen: Der orange fotoaktive Farbstoff und der gelbe Elektrolyt werden zum Dekor. Hergestellt wurden die Zellen im Siebdruck. Ihr Ziel, die Solarzellen und damit die Funktion der Energiegewinnung auf eine ästhetisch ansprechende Weise in Objekte zu integrieren, sodass der Nutzer diese nicht aus reiner Überzeugung, sondern aufgrund ihrer Ästhetik als Möbel oder Produkt nutzen möchte, ist ihr gelungen. Es wundert nicht, dass van Aubel Gestalter als Schlüsselfiguren für die erfolgreiche Entwicklung und Vermarktung der Farbstoffsolarzellen sieht.
Wie sehr integrierte Solarzellen die Bedienung und Anwendung von Produkten zu verändern vermögen, zeigt auch der kürzlich als Pilotprojekt erschienene E-Reader LivePaper der finnischen Firma Leia Media. Ziel war die Entwicklung eines E-Readers, der in seiner Bedienung so einfach ist wie das Lesen einer Tageszeitung: kein Anschalten, kein Aufladen – nur Umblättern. Das ist Leia Media durch den Einsatz von einem E-Paper-Display, das nur für das Umschalten der Anzeige Energie benötigt, und einer Farbstoffsolarzelle der Firma G24 Power auf der Rückseite gelungen. Der E-Reader ist nicht nur dünner und leichter und damit papierähnlicher als andere Tablets, sondern vor allem völlig unabhängig von jeglichen Ladegeräten und Steckdosen.


Aufgrund dieser Eigenschaften untersucht das ebenfalls finnische Projekt SunEdu derzeit in Tansania, ob sich LivePaper auch als Lehrmittel in Gegenden ohne Stromnetz und Schulen verwenden lässt. Derzeit sind die E-Reader von Leia Media jedoch noch ähnlich teuer wie normale Tablets – erst die Produktion in großen Stückzahlen würde den Preis voraussichtlich drastisch senken können. Außerdem muss Leia Media derzeit auf Standardsolarzellen der Firma G24 Power zurückgreifen – zukünftig lassen sich die Solarzellen gestalterisch sicherlich überzeugender integrieren.
Eine erste herausragende architektonische Anwendung finden Farbstoffsolarzellen in der Fassade des SwissTech Convention Center, das im April 2014 auf dem Campus der EPFL (École polytechnique féderale de Lausanne) eröffnet wurde. Auf einer Gesamtfläche von 300 Quadratmeter setzten die Künstler Daniel Schlaepfer und Catherine Bolle die verschiedenfarbigen Schattierungen der Solarzellen in Rot, Grün und Orange wirkungsvoll ein. Realisiert wurden sie ebenfalls von der Firma Solaronix, gegründet von Toby Meyer – ein ehemaliger Doktorand von Professor Michael Grätzel, dem Vater der Farbstoffsolarzellen. Leider erreichen die Solarzellen nur einen Wirkungsgrad von zwei bis drei Prozent und können lediglich einen Bruchteil des Gesamtenergiebedarfs des Gebäudes abdecken. Auch der Preis der Module mit etwa 3.000 Euro pro Quadratmeter ist noch so hoch, dass er sich wohl kaum amortisieren wird. Beides liegt in der heute noch vorwiegend manuellen Fertigung begründet. Die solare Stromgewinnung alleine rechtfertigt also eine derartige solare Fassade heute noch nicht.
Einen anderen Weg der Integration von Farbstoffsolarzellen in Fassaden geht die Forschungsplattform Bau Kunst Erfinden der Universität Kassel mit ihrer Entwicklung von Hightech/Low-Budget-Materialien: In dem Projekt DysCrete, gefördert von der Forschungsinitiative Zukunft Bau, beschäftigen sich die Künstlerin Heike Klussmann und der Architekt Thorsten Klooster gemeinsam mit dem Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens und der Bauchemie der Universität Kassel und den Industriepartnern Fabrino und Lothar Beeck mit der Aufbereitung von Betonfertigteilen zu Betonfarbstoffsolarzellen. Ihr Ziel ist es, wie sie selbst betonen, bewährte Materialien wie Beton, dessen Verarbeitungsmethode und Materialästhetik, aufzugreifen und innovativ wie kostengünstig um das Potenzial der Farbstoffsolarzelle zu erweitern, um so neue Anwendungsmöglichkeiten zu eröffnen. Zunächst stellten sie fest, dass die Fertigungslogik von Betonfertigteilen gut mit der von Farbstoffsolarzellen zu vereinbaren ist. Der typische Schichtaufbau der Farbstoffsolarzelle konnte daher beibehalten werden, jedoch wurden die einzelnen Schichten adaptiert und modifiziert. So wurde zum Beispiel der flüssige Elektrolyt durch eine gelartige Substanz ersetzt. Besonderen Einsatz findet der ebenfalls von „Bau Kunst Erfinden“ entwickelte leitfähige Beton als Elektrode. Als transparent leitfähige Deckschicht wurde zunächst recyceltes Reflexionsglas eingesetzt, jedoch zeigen Versuche mit einer Beschichtung aus transparent leitfähigem Kunststoff inzwischen erste Erfolge. Vorteil der Kunststoffbeschichtung ist, dass sie den Materialcharakter des Betons erhält.
Um eine ausreichende Lebensdauer zu erreichen, verfolgen Klussmann und Klooster derzeit zwei Konzepte: entweder alle Schichten so auszuführen, dass sie dauerhaft erhalten bleiben, oder einige Schichten austauschbar zu gestalten. Um die Funktion der Solarzellen nicht durch Mikrorisse im Beton zu gefährden, stehen sie ebenfalls in engem Kontakt zu Henk Jonkers der TU Delft, dessen Forschung es ermöglicht, kleine Risse mithilfe von Bakterien wieder aufzufüllen (siehe form 249). Mit ihm planen sie darüber hinaus ein Projekt zur Entwicklung leitfähiger und biolumineszenter Betonoberflächen. Ähnlich wie die Fassade am SwissTech Convention Center der EPFL erreicht DysCrete einen Wirkungsgrad von etwa zwei Prozent – jedoch derzeit nur im Labor. Allerdings erhoffen sich Klussmann und Klooster, einen deutlich günstigeren Werkstoff zu erhalten. Das System hat das technologische Potenzial einer „Low-Cost Energy Source“. Durch den Einsatz von recycelten Materialien konnten erste Prototypen zu einem Materialpreis von weniger als fünf Euro pro Quadratmeter realisiert werden.


Frucht-Farbstoffsolarzellen


Um relevante Wirkungsgrade zu erreichen, werden in der industriellen Herstellung von Farbstoffsolarzellen synthetische Farbstoffe eingesetzt. Dass prinzipiell auch natürliche Farbstoffe geeignet sind, veranschaulicht das Kit der Firma Man Solar, mit dem sogar Schulkinder Farbstoffsolarzellen selbst herstellen können. Verwendet werden die natürlichen Farbstoffe Anthocyane aus roten Früchten. Sie haben sich unter den natürlichen Farbstoffen als effizient erwiesen.
Auch wenn Frucht-Farbstoffsolarzellen nicht den Wirkungsgrad industriell hergestellter Farbstoffsolarzellen erreichen, so zeigen sie doch die Möglichkeit auf, dass prinzipiell jedermann Solarzellen kostengünstig herstellen kann, um eigenen Solarstrom zu gewinnen. Das war auch der Gedanke von Andreas Mershin, als er sein Biosolar-Projekt startete. Mit dem Ziel, allen Menschen den Zugang zu Elektrizität zu ermöglichen, entwickelte der Forscher am Massachusetts Institute of Technology die Idee eines DIYKits, das drei einfache Grundsubstanzen und eine Anleitung beinhaltet, um aus landwirtschaftlichen Abfällen, die geeignete Farbstoffe wie Grasschnitt beinhalten, und einem Stück Metall eine Biosolarzelle herstellen zu können. Schlüssel der Entwicklung stellt ein Stabilisator aus Peptiden dar, der den Grasschnitt vor dem Verfall bewahrt, sowie ein Tauchbad, das jedes beliebige Metall mit einer „Nano-Wald-Oberflächenstruktur“ versieht. Diese beiden Substanzen wie auch der Elektrolyt sind kostengünstig und sollen in transparenten Folienbeuteln, die dank einer leitfähigen Beschichtung als transparente Top-Elektrode dienen können, geliefert werden.
Ebenso wenig kommerziell wie die Herstellung soll auch die Weiterentwicklung der Idee und der Bestandteile des DIY-Kits aussehen: Andreas Mershin erhofft sich mittels Crowdworking den Wirkungsgrad auf wenigstens ein bis zwei Prozent anzuheben, sodass eine kleine Dachfläche beispielsweise eine Lampe mit ausreichend Energie versorgen kann.
Ob die Idee Anwendung findet, bleibt abzuwarten. Das Projekt veranschaulicht dennoch auf faszinierende Art und Weise das Potenzial der Farbstoffsolarzelle, Sonnenenergie tatsächlich überall dort zu nutzen, wo die Sonne scheint.
So unterschiedlich die Forschungsrichtungen und -ziele – von DIY bis Solar Chic – sein mögen, so zeigen sie doch in der Gesamtheit, dass es Farbstoffsolarzellen gelingt, die Aspekte Effizienz, Nachhaltigkeit und Ästhetik in ein zukunftsfähiges Verhältnis zu setzen.

Perowskitsolarzellen: Die Schwester der Farbstoffsolarzelle eröffnet eine neue Klasse


Anfang der 1990er Jahre legte Michael Grätzel, Professor an der EPFL, den Grundstein für Farbstoffsolarzellen. Seitdem hat er viele Auszeichnungen für seine Forschung in diesem Bereich erhalten. Kürzlich gelang ihm ein erneuter Durchbruch: Er ersetzte den molekularen Farbstoff durch kristalline Perowskitpigmente. In Kombination mit einem festen Elektrolyt konnte er so den Wirkungsgrad auf 15 Prozent steigern. Das Besondere an der Entwicklung ist allerdings, dass die Perowskite unschlagbar kostengünstig und allgemein verfügbar sind. Zudem ist ihre Schicht 1.000 Mal dünner als die Siliziumschicht in einer Standardsolarzelle. Folglich fallen die Materialkosten kaum noch ins Gewicht. Auch wenn Perowskitsolarzellen von Farbstoffsolarzellen abstammen, interessiert sich die Siliziumbranche inzwischen ebenso für die neue Technologie, um möglicherweise Tandemsolarzellen aus Silizium und Perowskiten herzustellen.
Leider ist diese völlig neue Klasse der Solarzellen, die Perowskitsolarzelle, nicht mehr farbig, sondern braun bis schwarz und nicht transparent. Auch ist sie weniger für den Einsatz auf flexiblen Solarzellen geeignet. Jedoch könnte sie einen neuen Weg zu umweltfreundlichen, kostengünstigen und erschwinglichen Solarzellen ebnen.
Seit dem Durchbruch beschäftigt sich eine wachsende Anzahl von Unternehmen mit der Weiterentwicklung der Perowskitsolarzellen. Die einfache Herstellung mit den kostengünstigen Grundsubstanzen der Perowskitsolarzellen will Solaronix ebenfalls bald mit einem Selbstbau-Kit demonstrieren.


Die künstliche Fotosynthese


Noch weit von der Serienreife entfernt, jedoch näher am natürlichen Vorbild der Fotosynthese als die Farbstoffsolarzellen, sind sogenannte PECs, fotoelektrochemische Zellen. Sie funktionieren prinzipiell wie Farbstoffsolarzellen, jedoch wandeln PECs Sonnenenergie nicht nur in Strom um, sondern nutzen diesen direkt in der Zelle dazu, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Einige Entwicklungen gehen noch einen Schritt weiter, indem sie in der Zelle unter Zugabe von Kohlendioxid Kohlenwasserstoffe herstellen – wie auch Pflanzen Zucker und andere Kohlenstoffverbindungen produzieren. Hier spricht man dann auch von der künstlichen Fotosynthese. Die Produktion von Treibstoffen in Form von Wasserstoff oder sogar Kohlenwasserstoffen wie Methanol ist vorteilhaft, da einerseits weit mehr Treibstoff als Strom benötigt wird und andererseits Treibstoffe einfacher gespeichert werden können.
Die Effizienz stellt für PECs im Vergleich zu Farbstoffsolarzellen jedoch eine zunehmende Hürde dar. Einen ungewöhnlichen Weg, um diese zu steigern, ohne dabei die Materialkosten zu erhöhen oder auf seltene Erden zurückgreifen zu müssen, geht Artur Braun von der Empa mit seinen Kollegen: Er funktionalisiert das fotoaktive Material Hämatit – ein umweltverträgliches, erschwingliches und reichlich vorkommendes Eisenmineral – mit Blaualgenproteinen. Blaualgenproteine dienen, wie Braun sagt, als eine Art Lichtantenne und sorgen als Absorber für eine bedeutend höhere Lichtausbeute in den PECs. Darüber hinaus konnten die Forscher – durch genetische Manipulation – den Blaualgenproteinen molekulare Drähte wachsen lassen, damit sie die gewonnene elektrische Ladung und Energie noch besser ableiten können. Dieses Prinzip war im Labor bereits erfolgreich. Da die Extraktion der Proteine aus den Algen einen zusätzlichen Prozessschritt darstellt, wird nun angestrebt, die Algen vollständig zu verwenden. Dazu müsste die gesamte Alge einen solchen Draht besitzen. Eine Basis wären hierfür sogenannte Shewanella-Bakterien, denen bereits auf natürliche Art und Weise Drähte aus Eisenoxid wachsen. Vielleicht lässt sich hieraus ein genetischer Baustein verwenden, um die Wirtschaftlichkeit der PECs zu erhöhen. Inspiriert vom BIQ Algenhaus in Hamburg ist es Artur Brauns Vorstellung und Ziel, PECs direkt in Fensterscheiben oder Fassadenelemente von Wohn- und Geschäftshäusern zu integrieren – als Doppelverglasung mit wässrigem Elektrolyt im Zwischenraum. Der erzeugte solare Brennstoff kann lokal gespeichert und bei Bedarf mittels Brennstoffzellen genutzt werden. Vorteil der PECs ist, wie auch der von Farbstoffsolarzellen, die frei wählbare Zellengeometrie. Sie müssen nicht einmal flächig sein – ebenso denkbar sind beispielsweise zylindrische Geometrien oder flexible Substrate.


Rezept für Frucht-Farbstoffsolarzellen


Man braucht:
  • mindestens 8 Glasplättchen mit transparenter leitfähiger Beschichtung (TCO)
  • Titandioxid-Lösung
  • Elektrolyt-Lösung
  • ein paar frische Früchte (Brombeeren, Kirschen, Johannisbeeren) oder getrocknete Hibiskusblüten
  • Klebeband
  • Büroklammern
  • Fön
  • Bleistift
  • eine kleine Schale
  • ein Stück Aluminiumfolie
  • Spiritusbrenner
  • Krokodilklemmen
  • Multimeter zum Messen des Stroms oder einen Taschenrechner oder ähnliches

1) Minus-Elektrode

  • vier Glasplättchen gründlich reinigen und trocknen
  • die Ränder der Glasscheibe auf der leitenden, rauen Seite mit Klebeband maskieren
  • Die Titandioxid-Lösung dünn und gleichmäßig auf die maskierte Fläche auftragen
  • mit einem Fön trocknen und das Klebeband entfernen
  • in der Flamme über dem Spiritusbrenner einbrennen bis die Schicht erst braun und dann wieder weiß wird

2) Plus-Elektrode

  • vier Glasplättchen gründlich reinigen und trocknen
  • auf der leitenden, rauen Seite durch vollflächiges Anmalen mit einem Graphit-Bleistift beschichten

3) Einfärben mit Früchten

  • entweder die getrockneten Hibiskusblüten mit kochendem Wasser übergießen und 5 bis 15 Minuten ziehen lassen
  • oder: frische Brombeeren, Himbeeren, Kirschen oder Johannisbeeren zerquetschen
  • die Minus-Elektrode in dem Saft baden bis sich die weiße TiO2-Schicht rot gefärbt hat (ca. 5 Minuten)
  • den überschüssigen Farbstoff abspülen
  • mit dem Fön trocknen

4) Montage

  • einen Tropfen Elektrolyt-Lösung auf die Graphit-Seite der Plus-Elektrode tropfen
  • die Minus-Elektrode mit der eingefärbten TiO2-Schicht auf die Elektrolyt-Lösung legen
  • mit einer Büroklammer befestigen

5) Messung

  • die Solarzellen in Reihe schalten
  • das Multimeter anschließen und den gewonnenen Strom ablesen oder den Taschenrechner anschließen und rechnen



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