Wissenschaftler der Stanford University entwickeln Solarzellen aus Kohlenstoff

Die organische Photovoltaik verfolgt das Ziel, das Silizium in Solarzellen durch organische Materialien zu ersetzen, also durch Kohlenstoffverbindungen. Wissenschaftler an der Stanford University gehen einen Schritt weiter und wollen Solarzellen aus reinem Kohlenstoff herstellen. Die grundsätzliche Machbarkeit konnte bereits demonstriert werden.

Preiswerte und flexible Solarzellen

Die zu diesem Zweck ausschließlich aus Kohlenstoff hergestellte Solarzelle weist zwar einen mehr als dürftigen Wirkungsgrad von weniger als einem Prozent auf, aber das ist gegenwärtig aus zwei Gründen nur eine relativ unwichtige Randnotiz. Erstens ging es bei dem Prototyp nur darum, die prinzipielle Machbarkeit zu demonstrieren. Auf aufwändige Materialbearbeitungen, mit denen der Wirkungsgrad gesteigert werden könnte, wurde daher verzichtet. Zweitens besteht das Ziel nicht darin, den Wirkungsgrad von hochwertigen Zellen auf Siliziumbasis zu erreichen, der für Spitzenmodelle bei 20 Prozent liegt. Die Zielsetzung besteht vielmehr darin, mit preiswerten und flexiblen Solarzellen neue Anwendungsmöglichkeiten für die Photovoltaik zu erschließen. Solarzellen aus Kohlenstoff weisen ein niedriges Gewicht auf und können sich jeder Oberflächenform flexibel anpassen. Theoretisch kann das Material sogar aufgesprüht werden. Die langfristig angestrebten Wirkungsgrade von etwa zehn Prozent reichen, um ein solches Material attraktiv zu machen.

Kohlenstoffnanoröhren bilden das Herzstück der Zellen

Kohlenstoffnanoröhren sind mikroskopische Röhren aus reinem Kohlenstoff, die eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Eingesetzt wurden sie bislang, um Materialien mit einer hochleitfähigen Oberfläche zu versehen. Wichtig ist das beispielsweise dort, wo elektrostatische Aufladungen unbedingt vermieden werden müssen. Für die Anwendung in der Photovoltaik sind weitere Eigenschaften dieses Materials wichtig. Dazu zählt das breite Absorptionsspektrum, das eine Nutzung des Sonnenlichts bis weit in den infraroten Spektralbereich gestattet. Vorteilhaft ist auch, dass sich das Material als stabil gegenüber ultravioletter Strahlung erweist. Kohlenstoffverbindungen werden hingegen durch ultraviolette Strahlung langfristig zerstört, was die Lebensdauer organischer Solarzellen beschränkt.

Ein Zufallsfund

Wie so viele Entdeckungen in der Nanotechnik waren Kohlenstoffnanoröhren ein Zufallsfund, der bei Experimenten als Nebenprodukt auftrat. Das Potenzial wurde schnell erkannt, bereits im Jahr 2010 nahm die Bayer AG eine Produktionsanlage für Kohlenstoffnanoröhren in Betrieb, deren Kapazität bei etwa 200 Tonnen pro Jahr liegt. Die Röhren besitzen zahlreiche weitere interessante Eigenschaften. Sie ziehen sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung zusammen, weswegen sie als Permanentspeicher für Daten eingesetzt werden können. Ihre hohe Lichtabsorption wurde auch genutzt, um die derzeit dunkelste Oberfläche herzustellen, die nur etwa 0,04 Prozent des einfallenden Lichts reflektiert. Diese Eigenschaft wird auch militärisch in Tarnkappenbombern genutzt. Bislang nicht nachgewiesen – aber noch nicht mit Sicherheit auszuschließen – ist eine toxische Wirkung der Röhren. Die Materialstruktur ähnelt der von Asbestfasern, weswegen über eine mögliche Schädigung der Lungen beim Einatmen des Materials diskutiert wird.

Bildquelle: Stanford University, Mark Shwartz