Forschende entwickeln neue Naturfarbstoff-Solarzelle für Textilien

© Patrick Pollmeier, FH Bielefeld

Bielefeld – Solarzellen mit dem Trägermaterial Glas sind nicht nur schwer, sondern auch meist unhandlich. Forschende integrieren nun Solarzellen direkt in Textilgewebe. Dadurch kann sich ein breites Anwendungsgebiet beispielsweise im Outdoor-Sektor eröffnen, um sich autark mit Strom zu versorgen.

Eine neuartige, erstmals vollständig in Textilien (Markisen, Rucksäcke, Zelte, etc.) integrierte Naturfarbstoff-Solarzelle wird an der Fachhochschule (FH) Bielefeld entwickelt. In dem Projekt „SolarFlex“ geht es um das Aufladen von kleinen elektrischen Geräten direkt in einem textilen Gewebe.

Naturfarbstoff-Solarzelle ist ungiftig und recyclebar

Was nach einer revolutionären Hightech-Erfindung klingt, ist der Natur nachempfunden und vor allem eins: nachhaltig. „Die Farbstoff-Solarzelle ist ungiftig, und durch die geschickte Auswahl der Bestandteile soll sie kostengünstig und später einfach recycelbar sein“, erklärt Projektleiter Marius Dotter, der zu diesem Thema an der FH Bielefeld in Kooperation mit der Universität Bielefeld promoviert.

Solarzelle mit niedrigem Wirkungsgrad – Handy-Aufladung

Farbstoff-Solarzellen (Grätzel-Zellen) sind eine interessante Alternative zu herkömmlichen Solarzellen, je nach Einsatzgebiet. „Ihre Herstellung benötigt keine Reinräume und viel weniger Energie als etwa Siliziumsolarzellen. Allerdings sind ihre aktuellen Wirkungsgrade besonders bei Nutzung preiswerter, ungiftiger Materialien sehr niedrig. Sie genügen noch nicht, um einen essentiellen Beitrag zur Energiewende zu leisten. Farbstoffsolarzellen können aber bereits jetzt für Stand-alone-Lösungen, in textiler Architektur oder auf anderen großen Flächen eingesetzt werden. Dies kann sinnvoller und umweltschonender sein als der Einsatz herkömmlicher siliziumbasierter Zellen“, erklärt Prof. Dr. Andrea Ehrmann.

Grätzel-Zelle ohne Glas, dafür in Textil und mit ungiftigen Materialien

Bei der Farbstoffsolarzelle absorbiert ein Farbstoff Licht und dadurch löst sich in einem Stromkreislauf ein Elektron. Die Zellen bestehen aus zwei leitfähigen Elektroden, von denen mindestens eine durchsichtig sein muss, um Licht in die Zelle eindringen zu lassen. Dazu wird meist Glas als Trägermaterial genutzt. An der FH Bielefeld will man auch dieses Prinzip nutzen, aber ohne Glas und dafür in Textil und mit ausschließlich ungiftigen Materialien.

In dem Projekt „SolarFlex“ der FH Bielefeld wird auf den Naturfarbstoff Anthocyan und den Halbleiter Titandioxid als Licht-Absorber gesetzt. In eine textile Trägerschicht (z.B. ein Tuch) werden zunächst silbrige Streifen verwoben, die die Elektronen leiten. Später können darauf die verschiedenen Schichten aufgebracht werden.

Suche nach den richtigen Materialien

Das Problem: die einzelnen Komponenten liegen im Regelfall als gelöste Flüssigkeit oder Gele vor und sollen auf die textile Oberfläche aufgebracht werden. An dieser Stelle kommt die Elektrospinnanlage ins Spiel: Elektrospinnen bedeutet, dass eine Lösung der gewünschten Mischung, zum Beispiel der Farbstoff zusammen mit Titandioxid und X-PAN, durch eine Hochspannung angezogen wird und sich an dem Trägermaterial in zufälliger Orientierung als Fasern anlagert. So entsteht aus dem ‚Küchentuch‘ ein Nanofaser-Vlies. Zusammen mit dem Gel-Elektrolyten, der aufgedruckt wird, sollen so alle Bestandteile in der Zelle zu großflächigen textilen Solarzellschaltungen kombiniert werden.

„Genau an der Stelle laufen momentan unsere Untersuchungen. Wir möchten herausfinden, welche Kombination der Materialien am besten funktioniert“, so der Projektleiter. Nach den ersten Tests in der Elektrospinnanlage, bei denen Graphit, Anthocyane und Titandioxid aufgetragen wurden, ist Marius Dotter schon sehr zufrieden: „Es fühlt sich noch nicht wie Textil an, aber das Prinzip funktioniert gut. Die nächsten zwei Jahre werden zeigen, wie eine ideale Zusammensetzung aussehen könnte.“

Wie der Strom von der Textilie in den Akku kommt

Bei der Nutzung von Textilien als Trägermaterial und aufgebrachten Schichten stellt sich schnell die Frage, wie der Strom in den Akku kommt. „Die Metallfäden in dem Tuch, das als Trägermaterial dient, sollen den Strom in ein Kabel ableiten, an das man dann beispielsweise den Akku anschließen kann“, erklärt Dotter. Wie viel Energie die Zellen produzieren werden, hängt letztendlich von der Fläche und Anzahl der Zellen ab sowie von der Einstrahlung. „Unser Ziel ist, dass wir mit einem Quadratmeter Photovoltaik-Textil an einem durchschnittlichen Tag in Deutschland drei Smartphone-Akkus laden können. Genauere Werte werden wir erst gegen Ende des Projekts ermitteln können“, erklärt Dotter.

Wichtig ist Dotter, dass sich die Materialien auch wirklich wie Textilien anfühlen, die man bei der jeweiligen Nutzung erwartet, und dass sie langlebig sind. Und wird das Zelt, der Rucksack oder die Markise doch zu sehr in Mitleidenschaft gezogen, kann das Material recycelt werden. Giftige Stoffe fallen dabei nicht an, wie Dotter erklärt: „Unser Ziel ist, dass man die Materialien bedenkenlos nutzen und auch wiederverwerten kann.“