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PV-Durchbruch

Energy Harvesting wird wirtschaftlich

10. Juni 2021, 07:56 Uhr   |  Heinz Arnold

Energy Harvesting wird wirtschaftlich
© Exeger

Giovanni Fili, CEO von Exeger: »Das über die neue Finanzierungsrunde eingesammelte Geld wird in den Bau eines neuen Werks für die Fertigung von »Powerfoyle«-Modulen in Stückzahlen fließen, eine Revolution für die Energieversorgung von Consumer-Geräten.«

Ob in autonomen Sensorknoten oder in Konsumgütern: Grätzel-Zellen ernten Energie aus diffusem Licht – jetzt endlich wirtschaftlich.

Für die schwedische Exeger ist 2021 ein ganz besonderes Jahr: Die über die vergangenen zwölf Jahre entwickelten „Powerfoyle“-Module auf Basis der Grätzel-Technik bringt das Unternehmen jetzt in höheren Stückzahlen in kommerzielle Produkte. Die ersten Kunden hat Exeger bereits gefunden: Der Fahrradhelm „Omne Eternal“ des Herstellers POC ist der erste energieautarke Fahrradhelm mit integriertem Rücklicht, das immer brennt, sobald der Fahrer den Helm aufsetzt. Der Helm muss nie geladen werden, weil seine Oberfläche aus der PV-Folie von Exeger besteht, die ständig Licht in Strom wandelt. Der Audio-Spezialist Urbanista bringt auf Basis von Powerfoyle den ersten kabellosen, autonom arbeitenden Kopfhörer mit Geräuschunterdrückung auf den Markt.

Die 2011 gegründete Schweizer H.Glass hat ihre Energieglasmodule auf Basis der Grätzel-Zellen bereits ins Feld gebracht. Damit können beispielsweise Glasfassaden von Gebäuden Energie erzeugen. Weil die Module Infrarotstrahlung reflektieren, bleiben die Temperaturen im Gebäude auch bei hoher Sonneneinstrahlung erträglich. Die Energieglasmodule arbeiten beispielsweise im Science Tower in Graz und in Schallschutzwänden an Autobahnen.

Für den Einsatz in autonomen Sensorknoten hat Ricoh gerade neue PV-Module auf Basis der Grätzel-Zelle vorgestellt, die um 20 Prozent mehr Energie generiert als die bisherigen Typen. In Kühlhäusern und Lagergebäuden könnten sie bereits wirtschaftlich Sensorknoten mit Energie versorgen.

So funktioniert die Grätzel-Zelle

Doch was steckt hinter den Grätzel-Zellen, die auch unter dem Namen Dye Sensitized Solar Cell (DSSC, elektrochemische Farbstoffsolarzelle) bekannt ist? Die Grätzel-Zelle gehört zu den Dünnschichtsolarzellen und kann Streulicht oder Licht in Innenräumen von Gebäuden besonders effektiv in Strom verwandeln. Im Jahre 1988 meldete Prof. Michael Grätzel ein schweizerisches Patent, das als erstes die Verwendung von mesoporösen Halbleiterschichten in photovoltaischen Zellen, insbesondere der Farbstoffsolarzelle, schützt. Heute gibt es über 3000 Patente in diesem Bereich. Die Technik der DSSC wurde dann von Brian O‘Regan und Michael Grätzel an der University of California in Berkeley und an der EPFL weiterentwickelt. Die erste Grätzel-Zelle wurde 1991 und in einem Artikel in der Zeitschrift Nature vorgestellt. In einem aktuellen Interview mit Markt&Technik erklärt Prof. Michael Grätzel, wie es dazu kam und wie sich die Technik jetzt rasant weiter entwickeln wird.

Weil die Grätzel-Zellen zu den Dünnschichtsolarzellen gehören, lassen sie sich kostengünstig mithilfe kostengünstiger Prozesse herstellen, beispielsweise auf Rolle-zu-Rolle-Maschinen, wenn es sich bei den Trägermaterialien um flexible Folien handelt. Auf Glas als Träger lassen sie sich ebenfalls in automatisierten kostengünstigen Prozessen herstellen, etwa auf Basis von Siebdruck. Hochreines und vergleichsweise teures Silizium ist nicht erforderlich. Damit fallen geringe Materialkosten an und die Technik verspricht, ein unschlagbares Verhältnis von Leistungsfähigkeit zu Kosten zu erreichen, auch wenn der Wirkungsgrad von Grätzel-Zellen unter dem der Siliziumzellen liegt.

Der prinzipielle Aufbau der »Powerfoyle«-Module von Exeger.
© Ricoh

Der prinzipielle Aufbau der »Powerfoyle«-Module von Exeger.

Das Wirkungsprinzip ist ebenfalls etwas anders als das der Silizium-Zellen: Die dünne Schicht aus künstlich hergestellten Farbstoffmolekülen absorbiert das sichtbare Licht, das in Elektrizität umgesetzt wird. Dieser Methode liegt also die Photosynthese über Chlorophyll in Pflanzen als Vorbild zugrunde.

Eine Grätzel-Zelle besteht im Prinzip aus zwei Glasplatten, deren Oberfläche durch eine Oxidschicht aus leitendem Oxid (etwa fluordotiertes Zinnoxid) elektrischen Strom leiten. Auf einem der Gläser befindet sich eine dünne Schicht aus nanoporösem Titanoxid, dessen Oberfläche mit Farbstoffmolekülen bedeckt ist. Gegenüber wird ein Katalysator aufgebracht, beispielsweise Platin oder Kohlenstoff. Dazwischen sind der Elektrolyt (Jod und Kaliumiodid) und stabilisierende Additive eingeschlossen, meist in Form von organischen Lösungen. Das birgt allerdings die Gefahr, dass der flüssige Elektrolyt austreten kann, wenn die Zelle nicht dicht versiegelt wird. Außerdem gingen viele davon aus, dass sie nur eine relativ geringe Lebensdauer erreichen. Deshalb haben sie bisher auf dem Markt keine wesentliche Rolle gespielt. Doch beide Befürchtungen sind inzwischen überholt, die Grätzel-Zellen sind dem Laborstadium schon längst entwachsen und dringen in praktische Anwendungen vor.

Das Evaluation-Kit mit den drei Panel-Größen für die Versorgung von Sensorknoten von Ricoh.
© Ricoh

Das Evaluation-Kit mit den drei Panel-Größen für die Versorgung von Sensorknoten von Ricoh.

Ricoh kommerzialisiert die Technik für Kühl- und Lagerhäuser

So ist es Ricoh gelungen, eine DSSC so abzuwandeln, dass sie nur aus festen Stoffen besteht, sodass Leckagen nicht auftreten können. Außerdem hat Ricoh die Farbe auf die Wellenlängen des künstlichen Lichts von Innenbeleuchtungen optimiert, sodass die Zellen deutlich mehr Energie zur Verfügung stellen können als die Vorgängergeneration. Ricoh will damit die Knoten von drahtlosen Sensornetzwerken versorgen und viele neue IoT-Anwendungen ermöglichen. Beispielsweise können sie in Lagerhäusern zum Einsatz kommen, aber auch in beleuchteten Kühlhäusern, weil sie bei Temperaturen von –30 °C immer noch effektiv arbeiten.

Ricoh bietet die neuen DSSCs allen Herstellern von Sensoren als unabhängige Stromversorgungen in drei verschiedenen Größen an. Für die Produktentwicklung steht den Entwicklern ein Evaluation Kit mit den drei Panel-Varianten zur Verfügung. Energy Harvesting aus Umgebungslicht sei nun laut Ricoh erstmals zu erschwinglichen Kosten möglich.

Die Power-Revolution für Konsumgüter

Auch Giovanni Fili, Gründer und CEO von Exeger, sieht die Zusammenarbeit mit POC und Urbanista als Durchbruch: »Dies ist der Funke, der eine Revolution in der Consumer-Elektronik auslösen wird. Den Anwendern stehen jetzt Produkte zur Verfügung, die sich autonom versorgen und ständig eingeschaltet bleiben können.«

Die Oberfläche des Fahrradhelms »Omne Eternal« von POC besteht aus der »Powerfoyle« von Exager. Damit ist er der erster energieautarke Fahrradhelm mit integriertem Rücklicht, das immer leuchtet.
© POC

Die Oberfläche des Fahrradhelms »Omne Eternal« von POC besteht aus der »Powerfoyle« von Exager. Damit ist er der erster energieautarke Fahrradhelm mit integriertem Rücklicht, das immer leuchtet.

Nur was nicht geladen werden muss, ist wirklich drahtlos

Anders Andreen, CEO von Audio-Spezialist Urbanista, sieht ebenfalls eine neue Ära anbrechen: »Ab jetzt können Geräte unseres täg­lichen Gebrauchs ihre Energie über das Umgebungslicht ernten.« Wirklich drahtlos könnten sich Produkte eben erst dann nennen, wenn sie sich selbst mit Energie versorgen, anstatt ständig an der Steckdose wieder aufgeladen werden zu müssen, ergänzt Giovanni Fili.

Erst vergangene Woche hat Exeger, zu deren Investoren auch der legendäre 100-Mrd.-Dollar-Vision-Fund von Softbank gehört, die jüngste Finanzierungrunde über 38 Mio. Dollar abgeschossen. Mit dem Geld will Exeger eine zweite Fabrik für die Fertigung der Power­foyle-Module bauen. Auch ABB unterstützt das Unternehmen mit Robotern für die Fertigung im neuen Werk. Bisher hatte Exeger über zwölf Jahre an der Technik geforscht und die Module entwickelt, die in einer Pilotfertigung am Royal Institute of Technology in Stockholm produziert werden.

Inzwischen wird den Grätzel-Zellen auch über die engeren Fachgrenzen hinaus große Aufmerksamkeit zuteil. So wird ihr Erfinder, Prof. Michael Grätzel, der heute an der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne forscht, als Kandidat für den Nobelpreis gehandelt. Das Europäische Patentamt hat Henrik Lindström, CTO und Mitgründer von Exeger, und Giovanni Fili für die erfolgreiche Entwicklung ihrer Powerfoyle-Module als Finalisten in der Kategorie SMEs für den „European Inventor Award 2021“ nominiert. Die Gewinner werden am 17. Juni bekannt gegeben.

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