Dünner als ein Haar 20.07.2016, 11:39 Uhr

Solarzellen zum Wickeln: so hauchdünn, so flexibel und so effektiv

Koreanische Ingenieure haben ultradünne Solarzellen so flexibel gemacht, dass sie sich wie eine Folie um eine Nadel wickeln lassen. Diese extrem biegsamen Solarzellen bieten vielseitige neue Einsatzmöglichkeiten. Man kann sie auch auf eine Brille kleben.

Labor im südkoreanischen Gwangju Institute of Science and Technology: Die neu entwickelten Solarmodule bestehen aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid und sind besonders flexibel.

Labor im südkoreanischen Gwangju Institute of Science and Technology: Die neu entwickelten Solarmodule bestehen aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid und sind besonders flexibel.

Foto: GIST

„Unsere Photovoltaikzelle ist rund einen Mikrometer dünn“, erklärt Jongho Lee, Leitender Ingenieur am südkoreanischen Gwangju Institute of Science and Technology, kurz GIST, in Gwangju. Damit sind die Zellen dünner als ein menschliches Haar. Die Ergebnisse der koreanischen Forschungsarbeiten wurden jetzt im Journal Applied Physics Letters des amerikanischen Institute of Physics veröffentlicht.

Bisher auf dem Markt befindliche Solarzellen sind deutlich klobiger, üblicherweise hundertmal dicker und damit auch sehr viel weniger formbar, was ihre Anwendungen deutlich einschränkt. Selbst die dünnsten Photozellen sind noch zwei bis viermal so dick wie die jetzt von den Koreanern entwickelten ultradünnen Solarzellen.

Die Solarzellen sind rund einen Mikrometer dünn und so flexibel, dass sie sich auch um eine Nadel wickeln lassen. Sie können als Energiespender aber auch auf Brillen geklebt oder in Stoff eingesetzt werden.

Die Solarzellen sind rund einen Mikrometer dünn und so flexibel, dass sie sich auch um eine Nadel wickeln lassen. Sie können als Energiespender aber auch auf Brillen geklebt oder in Stoff eingesetzt werden.

Foto: GIST

Allerdings ist der Wunsch nach so dünnen und trotzdem leistungsfähigen Zellen verbreitet. So forscht auch die US Army an solchen Zellen, um sie als Energiespender in Uniformen einzubauen. Bisherige Prototypen sollen 1000-mal dünner sein als ein Blatt Papier.

Basismaterial der Zellen ist Galliumarsenid

Die neu entwickelten Solarmodule bestehen aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid. Die Zellen wurden direkt auf ein flexibles Substrat ohne Einsatz eines Klebstoffs gestanzt. Als nächster Schritt wurden die Zellen im Kaltverschweissverfahren mittels Druck bei 170 °C auf die Elektrode aufgetragen.

Dabei wurde die oberste Schicht des Materials, genannt Photoresist, die als eine Art temporärer Klebstoff agierte, geschmolzen. Diese Schicht wurde später abgezogen, was zu einer direkten Bindung von Metall zu Metall führte. Die untere Metallschicht dient auch als eine Art Reflektor, um streuende Protonen direkt zur Solarzelle zurückzuleiten.

Die Wissenschaftler testeten die Effizienz der Zellen, indem sie Sonnenlicht in elektrische Energie umwandelten. Ihre Effizienz war mit jener dickerer Photozellen vergleichbar.

Dünne Zellen mit hoher Leistungsdichte

In Biegsamkeitstests stellten die koreanischen Forscher fest, dass sich die Zellen um Gegenstände mit einer Dicke von bis zu 1,4 mm wickeln lassen. Das Team führte auch eine numerische Analyse aus und stellte fest, dass die Zellen nur ein Viertel der Beanspruchung im Vergleich zu Zellen mit einer Dicke von 3,5 Mikrometer erfahren. „Die Zellen sind damit beim Biegen weniger brüchig und  ähnlich leistungsfähig, wenn nicht sogar besser“, erklärt Lee.

Das GIST-Institut in Südkorea beschäftigt sich besonders mit flexiblen Solarzellen, die auch für medizinische Zwecke eingesetzt werden.

Das GIST-Institut in Südkorea beschäftigt sich besonders mit flexiblen Solarzellen, die auch für medizinische Zwecke eingesetzt werden.

Foto: GIST

Dadurch eröffnen sich viele neue Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise der Einsatz in Datenbrillen, Fitness-Trackern oder intelligenten Uhren, die sie dann mit Energie versorgen. Die hauchdünnen Solarzellen lassen sich auch in Kleidung einnähen, um beispielsweise Strom für Smartphones zu liefern.

Auch in Deutschland wird an ultradünnen Zellen geforscht

Forschungsgruppen in anderen Ländern berichten ebenfalls von der Entwicklung von Solarzellen mit einer Dicke von nur rund einem Mikrometer. Auch in Deutschland arbeiten Forscher an ultradünnen, flexiblen Solarzellen. Dabei handelt es sich beispielsweise  um organische Solarzellen, die sich, weil aus billigem Kunststoff, nahezu beliebig formen lassen. Hersteller ist das Nürnberger Unternehmen Belectric Konarka, das derartige Zellen per Drucker herstellt, ähnlich wie Zeitungen. Auch die Solarspezialisten des ZSW in Stuttgart entwickeln  ultradünne Solarzellen.

Erst Ende Februar diesen Jahres hatten Ingenieure des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston die Entwicklung der dünnsten Solarzelle der Welt gemeldet. Sie ist so leicht, dass sie nicht einmal eine Seifenblase zum Platzen bringt.

Eine neuartige, ultradünne Solarzelle, die US-Forscher am MIT in Boston entwickelt haben, ist so leicht, dass sie nicht einmal eine Seifenblase beschädigt. 

Eine neuartige, ultradünne Solarzelle, die US-Forscher am MIT in Boston entwickelt haben, ist so leicht, dass sie nicht einmal eine Seifenblase beschädigt. 

Foto: Joel Jean und Anna Osherov/ MIT

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