Chemie für die Batterieforschung 17.02.2022, 07:00 Uhr

Nachhaltige Solarzellen aus Holz – Bor ist die Lösung

Für den Bereich der organischen Elektronik könnte bald ein neues Material zur Verfügung stehen. Es gilt zu Recht als besonders nachhaltig, denn die Grundlage ist Holz. Forschende der Uni Würzburg haben einen Weg gefunden, die darin enthaltenden Furane zu stabilisieren.

Illustration Molekül

Das Bor wird mit den Furanen kombiniert und stabilisert diese.

Foto: Maximilian Fest / Universität Würzburg

Nicht jede Solarzelle besteht aus Silizium. Alternative Materialien sind schon lange auf dem Markt, auch wenn sie beim Thema Solarenergie noch eine untergeordnete Rolle spielen. In organischen Solarzellen (Organic Photovoltaics, OPV) sind organische Moleküle oder Polymere dafür zuständig, den Solarstrom zu erzeugen. Grundlage sind in der Regel Verbindungen, die zur organischen Chemie gerechnet werden, etwa Kohlenwasserstoff-Verbindungen. Diese spezielle Art der Solarzellen erfüllt wichtige Dienste, da sie auf Folien gedruckt werden können, die sich unter anderem auf Rucksäcke oder Outdoor-Kleidung nähen lassen. Auch die Dächer von Wohnmobilen oder Gartenhäuschen lassen sich damit bekleben. Der Vorteil liegt auf der Hand: Die Nutzerinnen und Nutzer haben unterwegs in einem begrenzten Maße Strom, um beispielsweise ihr Smartphone aufzuladen.

Organische Solarzellen: Wie der Durchbruch endlich gelingen könnte

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Die Panele sind dünn, leicht und beliebt – umweltfreundlich sind sie allerdings in der Regel nicht. Dafür sorgen Grundstoffe wie Erdöl oder Erdgas. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg wollen das ändern. Sie arbeiten an organischen Solarmodulen aus Holz. Was fast unvorstellbar klingt, ist bereits zum Greifen nahe.

Bor stabilisiert Material für nachhaltige Solarzellen

In seiner ursprünglichen Form ist Holz für nachhaltige Solarmodule zwar nicht geeignet, aber aus diesem natürlichen Material lassen sich spezielle ringförmige Moleküle gewinnen, Furane genannt. Sie sind wiederum sehr gut für Anwendungen der organischen Elektronik geeignet. Neben Solarmodulen können das zum Beispiel auch Leuchtdioden oder Displays sein. 

Ihre Eigenschaften sind grundsätzlich hervorragend. Sie haben unter anderem eine stärkere Leuchtkraft als Materialien auf Thiophenbasis, die häufig verwendet werden. Besser löslich sind sie auch, was die Verarbeitung erleichtert. Ihr wichtigster Vorteil ist aber ein anderer: Furane sind biologisch abbaubar. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gehen daher davon aus, dass sie einen hervorragenden CO2-Fußabdruck hätten. Es müsste auch gut möglich sein, sie zu recyceln.

Silizium-Recycling: Aus Altmodulen werden neue Solarzellen

Das klingt perfekt, trotzdem gibt es ein Problem. Denn viele Materialien auf Furanbasis zerfallen schnell, wenn sie Sauerstoff und Licht ausgesetzt sind. Die Lösung ist für die Forschenden klar: Sie kombinieren die Furane mit dem Element Bor. „Das ergibt Verbindungen, die bis zu 300 Grad Celsius aushalten und über Monate hinweg von Licht unbeschadet bleiben“, sagt der Würzburger Chemiker Maximilian Fest.

Nachhaltige Solarzellen könnten umweltfreundlicher produziert werden

Das Prinzip ist also klar, aber die Details muss Fest noch erforschen. Er synthetisiert verschiedene Varianten aus Bor und Furanen und analysiert ihre Eigenschaften. Im Fokus stehen dabei umweltfreundliche Methoden zur Synthese, damit das Ziel der Nachhaltigkeit erreicht werden kann. Denn bei der Polymerisation von Bor und Furanen kommt es häufig zu schädlichen Abfallprodukten. Unter anderem sind das organische Zinnverbindungen, die für Mensch und Umwelt giftig sind. Das ist nach Angabe der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei den neuen Syntheseverfahren nicht der Fall.

Im nächsten Schritt sollen die Methoden zur Materialherstellung verbessert werden, um die Zahl der Reaktionsschritte zu reduzieren. Das spare nicht nur Reagenzien, sondern auch Energie.

Material womöglich auch für Lithium-Ionen-Akkus geeignet

Nachhaltige Solarzellen sind eine spannende Option, aber die Verbindung von furanbasierten Polymeren und Bor bringt Möglichkeiten mit sich, die über die organische Elektronik hinausgehen. „Wir können damit zum Beispiel Sensoren bauen, die toxische Amine und andere Stoffe nachweisen“, sagt Chemieprofessor Holger Helten von der Universität Würzburg. „Auch als Katalysatoren für chemische Reaktionen oder als Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Akkus kommen diese Polymere infrage.“

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Ein Beitrag von:

  • Nicole Lücke

    Nicole Lücke macht Wissenschaftsjournalismus für Forschungszentren und Hochschulen, berichtet von medizinischen Fachkongressen und betreut Kundenmagazine für Energieversorger. Sie ist Gesellschafterin von Content Qualitäten. Ihre Themen: Energie, Technik, Nachhaltigkeit, Medizin/Medizintechnik.

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