Studentin Sonia Adabra (von links) erläutert ihrer Professorin Prof. Dr. Dr. Andrea Ehrmann und ihrer Kommilitonin Michelle Surjawidjaja das Schaubild des Kreislaufes zur Stromgewinnung aus Beeren. Bild: Kerstin Panhorst

 

 

Wenn der Handy-Akku leer ist – einfach mal eine Erdbeere anschließen.

Was zunächst absurd klingt ist gar nicht einmal so weit hergeholt.

Denn die Farbstoffe von Beeren können Licht absorbieren und mit der richtigen Technik zur Stromerzeugung genutzt werden.

Um das absorbierte Licht in Energie zu verwandeln, müssen aber zunächst Solarzellen mit dem Farbstoff hergestellt werden.

Ein Team des Fachbereichs Ingenieurwissenschaften und Mathematik der Fachhochschule Bielefeld beschäftigt sich derzeit mit dieser Nutzung von Farbstoffsolarzellen.

Das Projekt „SolTex“ will in Zusammenarbeit mit der InovisCoat GmbH in Monheim, einem Spezialisten für Beschichtungen auf Folien und Textilien, und der Hochschule Niederrhein Solarzellen aus Farbstoff auf Textilien aufbringen.

 

 

Ungiftige und preiswerte Solarenergie

 

Solarzellen aus Silizium sind mittlerweile der Standard, die Technik ist weit entwickelt. Und die Vorräte an Silizium sind beinahe unbegrenzt: Silizium ist das zweithäufigste Element nach Sauerstoff, die gesamt Erde besteht zu 15 Prozent aus dem Halbmetall.

Sand besteht aus Siliciumdioxid, in den Weltmeeren kommt es in Form von Kieselsäure vor.

Aber es gibt Nachteile, weshalb die Wissenschaft nach Alternativen sucht.

Bei der Herstellung von Silizium kommen Chemikalien zum Einsatz, die gesundheits- und umweltschädlich sind, was auch für das Team der FH Bielefeld ein entscheidender Faktor ist.

„Wir möchten, wenn möglich, keine Studenten hier vergiften“, erklärt Prof. Dr. Dr. Andrea Ehrmann lachend. „Und wir haben kein Geld.“

Denn Solarsilizium braucht einen hohen Reinheitsgrad (Verunreinigungen müssen unter 0,01 % liegen), um eine lange Lebensdauer und eine ideale Leitfähigkeit zu gewährleisten.

Für die Bearbeitung benötigt man einen Reinraum, der den Bielefelder Forschern ebenso wie der Textilindustrie, die letztendlich die Forschungsergebnisse nutzen soll, nicht zur Verfügung steht.

Außerdem ist die Herstellung siliziumbasierter Solarzellen äußerst energieintensiv und damit teuer.

Also wurde das von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderte Projekt ins Leben gerufen, das sich mit Farbstoffen als Ersatz für Silizium beschäftigt.

„Natürlich vorkommende Farbstoffe sind preiswert, leicht erhältlich und ungiftig“ fasst Ehrmann die Vorteile zusammen.

 

 

Beeren besonders geeignet

 

1991 wurde das erste Paper von Brian O’Regan und Michael Grätzel publiziert, das sich mit Farbstoffsolarzellen beschäftigt.

 

Der Schweizer Grätzel ließ sich 1992 die Farbstoffsolarzellen patentieren, weshalb sie auch als Grätzel-Zelle bekannt sind.

 

Michelle Surjawidjaja reinigt die angelagerten Farbstoffe aus Beeren von überschüssiger Flüssigkeit. Bild: Kerstin Panhorst

„Generell sind besonders dunkle Farbstoffe geeignet, um aus ihnen Solarzellen herzustellen, allerdings müssen sie dafür chemisch an einen Halbleiter gebunden sein“, erläutert Prof. Dr. Dr. Andrea Ehrmann.

 

Ihr Team hat deshalb verschiedene natürliche Farbstoffe ausprobiert, vom Kaffee über Walnussblätter bis zu Chlorophyll.

 

Besonders gute Ergebnisse bekamen die Forscher bei den Naturfarbstoffen von Beeren, die viele Anthocyane (Pflanzenfarbstoffe) enthalten, die für eine rot-bläuliche Färbung sorgen.

 

Vor allem Erdbeeren und Himbeeren eignen sich für die Gewinnung von Farbstoffsolarzellen, wie Tests ergaben.

 

 

 

 

 

Die Farbstoffe der Beeren (hier aus Waldbeertee) lagern sich auf einem Träger ab. Die Lilafärbung zeigt, dass eine chemische Verbindung eingegangen wird. Bild: Kerstin Panhorst

Bei ihren Versuchen arbeiten die Forscher mit zwei Glasplatten, von denen eine mit Titandioxid und die andere mit Graphit beschichtet ist.

 

Die Farbstoffe aus den Beeren werden extrahiert oder können auch ganz simpel durch Zerquetschen und Auskochen der Früchte gewonnen werden.

 

Die Titandioxid-Platte wird in die Farbstofflösung getaucht.

 

Wenn sie sich lila färbt, geht der Farbstoff eine chemische Bindung mit dem Halbleiter ein.

 

 

 

 

 

 

Zwischen die Schichten träufelt Sonia Adabra einen Elektrolyten, um den Stromkreislauf zu schließen. Bild: Kerstin Panhorst

Anschließend werden die beiden Glasplatten aufeinandergesetzt, und zwischen sie wird ein Elektrolyt – zum Beispiel Iod-Kaliumiodid – geträufelt, um den Kreislauf zu schließen.

 

Trifft nun Licht darauf, werden die Farbstoffmoleküle angeregt und setzen Elektronen frei.

 

Mit Hilfe der Halbleiterschicht, des Elektrolyten und der Elektroden wird elektrische Energie erzeugt, die abgegriffen und genutzt werden kann.

 

 

 

 

 

 

 

Energieautarkie als Ziel

 

Was momentan im Labor noch zwischen zwei Glasplatten geschieht, soll in Zukunft auf Textilien übertragen werden.

 

Christian Hellert forscht im Rahmen seiner Bachelorarbeit an elektrogesponnenen Solarzellen, die im so genannten NanoSpider hergestellt werden.                   Bild: Kerstin Panhorst

 

Diese könnten dann entsprechend beschichtet werden mit den Farbstoffen aus Beeren und so Strom erzeugen.

 

„Man würde damit eine Energieautarkie erreichen und könnte solche Textilien zum Beispiel bei der Herstellung von Rettungsinseln oder Zelten für Katastrophengebiete einsetzen, um dort Licht zu haben oder ein Handy aufzuladen“, berichtet Prof. Dr. Dr. Andrea Ehrmann, die die Arbeitsgruppe Textile Technologien leitet.

 

Neben der Beschichtung von Textilien gibt es auch noch die Möglichkeit, Farbstoffsolarzellen direkt in Stoffschichten herzustellen.

 

In einem so genannte NanoSpider erzeugen die Wissenschaftler bereits Nanofasern, die lichtdurchlässig sind.

 

 

 

 

 

 

 

Langlebigkeit und Effizienz im Fokus

 

Momentan beschäftigt die Forscher aber vor allem der normalerweise flüssige Elektrolyt, bei dem auch eine ungiftige Variante genutzt werden soll.

„Das ist so für die Verwendung auf Textilien nicht geeignet. Wir arbeiten gerade daran, ihn in eine gel-artige Konsistenz zu bekommen, damit er nicht aus dem Stoff herausläuft“, erklärt die Bachelorstudentin Sonia Adabra, die gemeinsam mit ihrer Kommilitonin Michelle Surjawidjaja zum Team gehört.

Außerdem ist die Langlebigkeit der Farbstoffsolarzellen noch ausbaubedürftig: Derzeit halten sie ca. sechs Monate.

Und auch die Effizienz ist noch weit entfernt von der Leistung siliziumbasierter Solarzellen.

„Momentan können wir ganz grob geschätzt ein Watt aus einem Quadratmeter gewinnen, wir würden gerne auf 10 Watt kommen“, sagt Prof. Dr. Dr. Andrea Ehrmann.

 

 

 

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