Solarzellen: Waschbar und dehnbar zugleich

Die organische Solarzelle im Waschtest (Foto: RIKEN)

Wenn es um Sensorarmbänder oder andere tragbare Elektronik-Anwendungen geht, müssen bisher Akkus für den nötigen Strom sorgen. Doch in Zukunft könnten tragbare Sensoren ihren Strom aus unserer Kleidung bekommen: durch organische Solarzellen, die wie ein Aufdruck direkt auf dem Stoff sitzen. Möglich wird dies, weil japanische Forscher jetzt organische Solarzellen entwickelt haben, die dehnbar und wasserfest zugleich sind. Selbst 20 Waschgänge verkraften die hauchdünnen Photovoltaikmodule, ohne dass sie kaputtgehen.

Intelligente Kleidung und andere "Wearables" sind im Trend: Längst sind Sensoren so klein geworden, dass man sie problemlos in Armbänder, Textilien und sogar Pflaster integrieren kann. Diese Mini-Messgeräte überwachen beispielsweise unsere Körpertemperatur, erfassen unsere Bewegungen und die Herzrate oder analysieren unseren Schweiß. Andere Kleidungsstücke könnten dank integrierter LEDs im Dunkeln leuchten. Doch alle diese spannenden Neuentwicklungen haben einen Haken: Sie benötigen Strom – und bisher fehlt es an ähnlich kleinen und flexiblen Lieferanten dafür. "Geeignete Stromquellen müssen drei wichtige Eigenschaften besitzen: Sie müssen energieeffizient sein, Umwelteinflüssen wie Luft und Wasser widerstehen und mechanisch robust sein – vor allem sehr dehnbar", erklären Hiroaki Jinno vom japanischen RIKEN-Forschungszentrum und seine Kollegen.

Dehnbar und wasserfest zugleich

Im Prinzip wären organische Solarzellen dafür durchaus geeignet. Denn sie lassen sich inzwischen auf ultradünnen Folien ausdrucken und könnten daher auch auf Textilien aufgebracht werden. Allerdings: Bisher ging dabei nur entweder hochelastisch oder wasserfest – eine Kombination scheiterte. Wird das Polymersubstrat der Solarzellen so dünn gemacht, dass es dehnbar wird, ist es nicht mehr undurchlässig genug, um die sensible Elektronik vor Wasser zu schützen. Macht man das Polymer wasserfest, ist es nicht mehr elastisch genug. Einen Weg aus dieser Zwickmühle könnten nun jedoch Jinno und seine Kollegen gefunden haben: "Wir haben waschbare Polymer-Solarzellen entwickelt, die eine hohe Effizienz und Dehnbarkeit aufweisen", berichten sie.

Die neuen Solarzellen bestehen aus einer nur einen Mikrometer dünnen photovoltaisch aktiven Schicht, die zwischen zwei Schichten aus Parylen – einem wasserabweisenden transparenten Polymer – eingebettet wird. "Diese organischen Solarzellen können leicht an Falten von Kleidern oder Haut angepasst werden und sind mechanisch hochflexibel", so die Forscher. Schon diese "rohe" Solarzelle ist in Wasser relativ stabil: Sie übersteht zweistündige Tauchbäder mit einer Degradierung von nur rund 20 Prozent, wie Jinno und seine Kollegen berichten. Selbst eine Wäsche mit Waschmitteln hält schon diese Solarzelle aus: "Wir haben das demonstriert, indem wir einen Fleck aus schwarzer, wasserlöslicher Farbe aus diesen Materialien ausgewaschen haben", erklären die Wissenschaftler.

Effizient noch nach 20 "Waschgängen"

Um den Wasserschutz noch zu optimieren, überzogen die Wissenschaftler diese drei Mikrometer dünne Roh-Solarzelle nun noch auf beiden Seiten mit einem 500 Mikrometer dicken Elastomer. Das Entscheidende dabei: Diese Schutzschichten waren im Moment des Verbindens um 200 Prozent vorgedehnt. Sobald die Schichten verbunden waren, zog sich dieses Polymer wieder zusammen und die Solarzelle im Inneren wellte sich dadurch. Der Vorteil: Die organische Solarzelle samt Schutzschichten ließ sich problemlos um rund 50 Prozent dehnen oder zusammenstauchen. Sie verlor bei diesen Prozeduren maximal gut fünf Prozent ihrer Leistung. Gleichzeitig hielt sie auch mehrfacher mechanischer Belastung im Wasser stand. Selbst nach 20 "Waschgängen" behielt die Solarzelle noch rund 80 Prozent ihrer anfänglichen Effizienz, wie die Forscher berichten. Ein T-Shirt, das mit diesen Solarmodulen bedruckt ist, wäre damit selbst nach dem Waschen noch funktionsfähig.

"Wir hoffen, dass unsere waschbaren, leichten und dehnbaren organischen Photovoltaikmodule ganz neue Möglichkeiten als Stromquellen für tragbare Sensoren und andere Wearables eröffnen", sagt Koautor Kenjiro Fukuda vom RIKEN-Forschungszentrum. Immerhin hat ihre neue Solarzelle einen
Wirkungsgrad von 7,9 Prozent und kann 7,86 Milliwatt pro Quadratzentimeter Leistung erzeugen. Bei einem Lichteinfall von 100 Milliwatt produzierte ein Quadratzentimeter dieses wasserfesten, dehnbaren Moduls 13,8 Milliampere Strom und 0,57 Volt Spannung, wie die Forscher berichten. Das ist zwar nicht viel, könnte bei einer wenig größeren Fläche aber schon ausreichen, um kleine Sensoren mit Energie zu versorgen. Ähnlich sehen es auch Ning Li und Christoph Brabec von der Universität Erlangen-Nürnberg: "Wir glauben, dass solche waschbaren und tragbaren Solarzellen sogar ein einzigartiger Marktvorteil für die organische Photovoltaik werden könnten", schreiben sie in einem begleitenden Kommentar.

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