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Energie und Durchblick: Lichtdurchlässige Solarzelle erreicht Wirkungsgrad von 11%

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Die vielen Fenster an Gebäuden wären häufig ein idealer Platz für Solarzellen - eine der großen Herausforderungen dabei ist, dass man weiter hindurchsehen kann. Ein amerikanisch-chinesisches Forschungsteam hat nun funktionale, knapp 50% transparente Photovoltaik-Zellen entwickelt.

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Fotografie durch eine Scheibe mit eingelassener lichtdurchlässiger Photovoltaik-Zelle (zentriert).
Fotografie durch eine Scheibe mit eingelassener lichtdurchlässiger Photovoltaik-Zelle (zentriert).
(Bild: University of Michigan)

Auf dem Weg zu Fenstern oder Glasfassaden, die elektrischen Strom produzieren, haben amerikanische und chinesische Forscher Fortschritte erzielt. Eine von ihnen entwickelte, lichtdurchlässige Solarzelle bringt es auf einen Wirkungsgrad der Energieumwandlung von fast 11% und ist dabei zu rund 46% transparent.

Sonnenschutz und Stromproduzent

„Fenster, die sich auf jedem Gebäude befinden, sind ein idealer Standort für organische Solarzellen, da sie etwas bieten, was Silizium nicht hat, nämlich eine Kombination aus sehr hohem Wirkungsgrad und sehr hoher sichtbarer Transparenz“, erklärt Stephen Forrest von der University of Michigan in Ann Arbor (Michigan, USA).

Die Transparenz der Solarzellen reicht schon fast an diejenige von Sonnenschutzgläsern heran, die zum Teil nur 50 Prozent beträgt. Künftige transparente Solarzellen könnten also vor der Sonne schützen und gleichzeitig elektrischen Strom produzieren.

Die Forscher erreichten die Fortschritte durch Zusatzstoffe und zusätzliche Beschichtungen im Bereich von Nanometern. So erbrachte das Zusetzen von Phenylnathalen zu komplexen organischen Verbindungen, die kurz mit SBT-FIC, A078 und A134 bezeichnet werden, eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades. Beschichtungen mit Magnesiumfluorid und einer organischen Verbindung namens CBP sorgen dafür, dass die Durchlässigkeit im Bereich des sichtbaren Lichts am größten ist, während im nahen Infrarotbereich viel Strahlung reflektiert wird. Auf der Innenseite der Glasscheibe wurden weitere Beschichtungen mit Magnesiumfluorid und Siliziumdioxid angebracht.

Den hohen Wirkungsgrad von 10,8 Prozent erreichten die Forscher mit einer Silberelektrode. Deren Nachteil ist allerdings, dass das durchfallende Licht einen deutlichen Grünstich erhält. Beinahe farbneutral ist hingegen eine transparente Solarzelle mit Indiumzinnoxid als Elektrodenmaterial. Diese hat jedoch den Nachteil, dass sie nur einen Wirkungsgrad von 8,1 Prozent und eine Transparenz (Lichtdurchlässigkeit) von 43,3 Prozent erreicht.

Erstautor Yongxi Li von der University of Michigan fasst die Herausforderung so zusammen: „Das neue Material, das wir entwickelt haben, und die Struktur des von uns gebauten Geräts mussten mehrere Kompromisse erzielen, um gleichzeitig eine gute Absorption von Sonnenlicht, hohe Spannung, hohen Strom, geringen Widerstand und farbneutrale Transparenz zu gewährleisten.“ Die Forscher wollen künftig den Wirkungsgrad der Solarzellen weiter erhöhen und ihre Haltbarkeit auf zehn Jahre verlängern.

Ein signifikanter Fortschritt

Alexander Colsmann, der am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) die Gruppe Organische Photovoltaik leitet, spricht angesichts der Ergebnisse von einem „guten Schritt voran“. Bemerkenswert sei, dass die Forscher gleich zwei entscheidende Eigenschaften optimiert hätten, nämlich den Wirkungsgrad und die Lichtdurchlässigkeit. „Die Untersuchung baut gut auf vorhandenen Konzepten auf“, sagt Colsmann.

Die Wissenschaftler um Stephen Forrest von der University of Michigan in Ann Arbor (Michigan, USA) haben ihr Vorgehen im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) beschrieben (DOI 10.1073/pnas.2007799117).

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