Lumineszierende Solarkollektoren: Silikon macht Stromerzeugung flexibler und bunter
22.05.2023
Kunststoffe tragen zum Klimaschutz bei. Als faserverstärkte Kunststoffe für Windkraftanlagen oder Folien für Solarzellen spielen sie bereits eine wichtige Rolle in der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Aber die herkömmlichen Lösungen eignen sich nicht für jeden Anwendungsbereich gleichermaßen. Hier kommt ein neuartiges Material ins Spiel, das an der Universität des Saarlandes entwickelt wurde.
Im Interview mit dem K-MAG spricht Prof. Guido Kickelbick über das neue silikonähnliche Material, die Anwendung in lumineszierenden Solarkollektoren sowie darüber, wo diese konkret zum Einsatz kommen könnten.
Herr Prof. Kickelbick, Sie forschen seit einigen Jahren an flexiblen, silikonartigen Materialen. Was war das Ziel Ihrer Forschung?
Prof. Dr. Guido Kickelbick: Wir sind fasziniert von den hervorragenden thermischen und optischen Eigenschaften flexibler, silikonähnlicher Materialien. So haben wir uns in einem größeren Projekt mit ihrer Anwendung als LED-Verkapselungsmaterial beschäftigt. Es stellte sich heraus, dass bestimmte chemische Randbedingungen des Materials erfüllt sein müssen, damit organische Konversionsfarbstoffe unter den extremen Bedingungen auf einer LED beständig sind. Diese Farbstoffe, die das blaue Licht der LED teilweise in rotes oder grünes Licht umwandeln, um weißes Licht zu erzeugen, sollten anorganische Farbstoffe ersetzen, die mit seltenen Erden dotiert sind. Zudem haben wir völlig neuartige silikonähnliche Materialien für die Verkapselung von LEDs entwickelt, die die Stabilität von organischen Farbstoffen auf LEDs um Größenordnungen erhöhen könnten. Dank unseres Fachwissens auf dem Gebiet der synthetischen Chemie konnten wir viele Eigenschaften wie Brechungsindex und Viskosität variieren, was in vielen Anwendungen erforderlich ist.
In einer Kooperation mit der Universität Pisa wurde ein von Ihnen entwickeltes Material nun erstmals für flexible Solarkonzentratoren eingesetzt. Was hat es damit auf sich?
Kickelbick: Wir haben meinen Kollegen Prof. Andrea Pucci von der Universität Pisa auf einer Konferenz kennengelernt, und er war sofort von unseren optischen Materialien fasziniert, da wir in der Lage sind, langlebige und sehr effiziente Fluoreszenzfarbstoffe in flexible Materialien mit langer Lebensdauer einzubetten. Prof. Pucci forscht auf dem Gebiet der lumineszierenden Solarkollektoren (LSC). Dabei handelt es sich um Kunststoffe, die mit fluoreszierenden Farbstoffen gefüllt sind. Diese Farbstoffe absorbieren und emittieren Licht, das immer wieder von den Oberflächen der Platten ins Innere reflektiert wird, bis es die Ränder erreicht. Dort entweicht das Licht und kann über photovoltaische Elemente in Strom umgewandelt werden. Bislang konzentrierten sich die Forschungen vor allem auf harte Kunststoffe wie Polymethylmethacrylat, auch bekannt als Plexiglas. Mit unseren Polymeren lassen sich nun auch flexible LSCs erzeugen.
Welches Material verwenden Sie dafür? Inwiefern eignet es sich besonders gut für die LSCs?
Kickelbick: Zurzeit verwenden wir für diese Anwendung optische Silikone, die einen hohen Brechungsindex haben. Ein von uns gemeinsam mit der Industrie entwickelter Farbstoff baut sich bei der Vernetzung des Silikonharzes in die Polymerstruktur ein. Dadurch wird die Stabilität des Gesamtsystems erhöht. Es gelingt uns aber auch, andere Farbstoffe einzubauen. Die Vorteile der verwendeten Systeme sind der hohe Brechungsindex, der die Reflexion des Lichts an der Grenzfläche zur Luft verbessert, sowie die hohe Transparenz und chemische Beständigkeit der Polymere. Außerdem können wir sehr gut etablierte Farbstoffe einbauen, die eine hohe Quantenausbeute haben, die also möglichst viele der einfallenden Lichtquanten in ein emittiertes Lichtquant umwandeln. In Zukunft wollen wir dann die von uns neu entwickelten Systeme verwenden, die noch weitere Vorteile in der Verarbeitung und Langlebigkeit haben.
Welche Vorteile haben die flexiblen Kollektoren gegenüber herkömmlichen Bauteilen mit festem Kunststoff?
Kickelbick: Der größte Vorteil flexibler Systeme ist ihre Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Strukturen, auf denen die Solarkollektoren dann auf- oder angebracht werden. Außerdem sind sie weniger spröde, was einen zusätzlichen Schutz gegen mechanische Belastungen bietet.
Wo könnten die LSCs in Zukunft eingesetzt werden?
Kickelbick: Aufgrund ihrer sehr breit wählbaren Farbe, die im Wesentlichen von der Zugänglichkeit geeigneter Farbstoffe abhängt, können lumineszierende Solarkollektoren als Stromlieferanten überall dort eingesetzt werden, wo eine Stromerzeugung derzeit nicht in Frage kommt. So könnte ich mir LSCs beispielsweise als Gestaltungselemente an Fassaden, wie Schallschutzwänden oder Gebäudefassaden, oder als teiltransparente Dächer vorstellen.