Solarzellen-Forschung In Textilien integrierbare Solarzellen aus Gewebe-Elektroden

Eine Alternative zu herkömmlichen Akkus für besonders leichte Mobilgeräte könnten Solarzellen in Form eines in die Kleidung integrierbaren Gewebes darstellen. Chinesische Forscher haben nun Solarzellen auf der Basis flexibler Textilelektroden vorgestellt, die sich in Stoffe einarbeiten lassen.

Bereits in der Vergangenheit wurden verschiedene Typen fadenförmiger Solarzellen zum Einweben in Textilien hergestellt, indem zwei elektrisch leitfähige Fasern als Elektroden verzwirbelt wurden. Hier scheiterte die praktische Umsetzung aber bisher daran, dass sich das Herstellen über einen langen Zeitraum effektiv arbeitender faserförmiger Elektroden als schwierig erwies. So war es nicht möglich, drahtförmige Zellen mit einer Länge von mehr als wenigen Millimetern zu produzieren. Außerdem ist es aufwendig, eine größere Zahl kreuzweise in ein Textil eingewobener Solarzellen miteinander zu verbinden.

Ein chinesisches Forscherteam der Fudan-Universität und der Tongji-Universität in Shanghai hat einen neuen Ansatz für die Produktion flexibler, in Stoffe integrierbarer Solarzellen entwickelt. Dieser basiert auf gewebeartigen Elektroden, die in Lagen gestapelt sind.

Eine Solarzelle benötigt neben einer Arbeitselektrode zum Lichteinfang eine Gegenelektrode sowie einen Elektrolyten. Die Wissenschaftler stellten eine Arbeitselektrode her, indem sie Titandrähte mit 130 µm Durchmesser zu einem Gewebe verflochten. In einem elektrochemischen Verfahren ließen sie anschließend parallel angeordnete Titandioxid-Nanoröhrchen senkrecht auf die Drähte aufwachsen. Im letzten Schritt wurde ein spezieller Farbstoff in diese Titandioxid-Nanoröhrchen eingelagert.

Für die Gegenelektrode verwendete das Forscherteam Schichten aus hochparallel angeordneten Kohlenstoffnanoröhrchen, die zu feinen Fäden mit hoher mechanischer Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit zusammengedreht und wiederum zu einem Gewebe verflochten wurden. Dann wurde je eine Lage einer Arbeits- und einer Gegenelektrode aufeinandergestapelt, die Doppelschicht mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt und versiegelt oder mit einem festen Elektrolyten versehen.

Durch Licht werden die Farbstoffmoleküle in den Titandioxid-Nanoröhrchen so angeregt, dass sie Elektronen freisetzen und in das Leitungsband des Titandioxids abgeben. Diese Ladungen werden über den Titandraht transportiert und erreichen über einen angeschlossenen Stromkreis die Gegenelektrode. Über eine Redoxreaktion nimmt der Elektrolyt Elektronen von der Gegenelektrode auf, die er wieder auf die ionisierten Farbstoffmoleküle überträgt.

Auch in gebogenem Zustand arbeiten die gestapelten Gewebe-Elektroden effektiv, so dass sich die textilen Solarzellen unter anderem in Strickwaren oder andere flexible Strukturen einarbeiten lassen könnten. Mittels mehrerer kleiner Gewebe-Solarzellen brachten die Forscher bereits LEDs zum Leuchten.