Neuland

Strom aus der Hausfassade

Wie Alexander Colsmann und sein Team mit organischer Photovoltaik urbane Oberflächen zu Kraftwerken machen zu wollen.

Die Fassade strahlt in schönen Farben, die Fenster lassen Licht hindurch, das Dach passt sich in die Architektur ein. Kaum etwas weist darauf hin, dass das komplette Haus mit Solarzellen ausgestattet ist und jede Sonnenstunde genutzt wird, um Strom zu produzieren. Ganze Straßenzüge und die komplette urbane Oberfläche dienen als Kraftwerk. Diese Vision einer „besseren Stadt“ skizziert Dr. Alexander Colsmann vom Lichttechnischen Institut am KIT. Mit seinem Team forscht er an organischen Solarzellen, die nicht nur den Umgang mit Gebäuden verändern könnten.

Um seine zukunftsweisenden Ideen wahr werden zu lassen, müssten Solarzellen biegsam, farblich einstellbar oder lichtdurchlässig, hauchdünn und dazu großtechnisch in einem Druckprozess produzierbar sein. „Genau darin sehen wir unsere Aufgabe: Solarzellen auf Kunststoffbasis zu entwickeln, die für ganz unterschiedliche Einsatzzwecke konzipiert werden“, sagt der Physiker Colsmann. So müssten Solarmodule für Fenster lichtdurchlässig sein, während auf Fassaden eher bunte und vor allem wetterfeste Solarzellen gefragt seien.

„Um das zu ermöglichen, sind noch viele kleine Schritte nötig. Forschergruppen auf der ganzen Welt beschäftigen sich mit allen möglichen Fragen zu diesem Forschungskomplex, von der Auswahl des geeigneten Polymers über den schichtweisen Aufbau der Zellen bis zum Druck im Stil der Zeitungsproduktion“, erklärt ‚Photovoltaik-Überzeugungstäter‘ Alexander Colsmann. Sein interdisziplinäres Karlsruher Forscherteam greift Anforderungen aus der Industrie und Wissenschaft auf und entwickelt ein vertieftes Verständnis für die einzelnen Fragestellungen. So nähern sie sich einem kompletten Produktionsprozess mit dem Ziel eines marktfähigen Produkts.

„Wir glauben daran, dass wir mit unserer Forschung an regenerativen Energien einen realistischen Beitrag zu einer besseren Zukunft leisten.“

Dr. Alexander Colsmann, Stefan Gärtner, Daniel Bahro

Etwa 40 Personen, Wissenschaftler und Studierende, arbeiten am Lichttechnischen Institut daran, darunter der Doktorand Stefan Gärtner: „Bisher ist die Technologie unter anderem deshalb nicht wirtschaftlich interessant, weil bei den Druckprozessen im Labormaßstab oftmals noch giftige und umweltschädliche Lösungsmittel eingesetzt werden. Diese würden bei einer großflächigen Produktion in großen Mengen verdampfen. In einem neuen Verfahren verzichten wir nun vollständig auf solche Lösemittel und können schon jetzt Zellen herstellen, die vergleichbare Effizienzen aufweisen. Das Ziel ist es, Solarzellen in einem umweltfreundlichen und wirtschaftlichen Prozess aus Wasser oder Alkohol herzustellen.“

Die neue Technologie soll die bisher eingesetzten starren Photovoltaikanlagen auf Siliziumträgern fürs Erste nicht ablösen, sondern in bisher unbesetzte Marktnischen vorstoßen. Neben dem Einsatz als Design- und Kraftwerkselement an Gebäuden und öffentlichen Flächen könnte die neue Form der Sonnenlichtnutzung auch zur netzunabhängigen Versorgung in Textilien eingesetzt werden, zum Beispiel in Funktionskleidung für Bergsteiger und alle, die kleine Mengen Strom für mobile Verbrauchsgeräte benötigen. Denkbar ist der Einsatz auch als Folien auf Fahrzeugen, um die Stromversorgung für die Bordelektronik zu unterstützen oder zur Energieversorgung für Notfallsysteme, Verkehrs- und Navigationshilfen.

Um die organische Photovoltaik konkurrenzfähig zu machen, muss der Wirkungsgrad organischer Solarzellen auf deutlich über zehn Prozent gesteigert werden. Dafür entwickeln die KIT Forscher sogenannte Tandem-Architekturen. „Um eine effiziente organische Solarzelle herzustellen, benötigt man mehrere unterschiedliche lichtabsorbierende Schichten. So kann das gesamte Spektrum des einfallenden Sonnenlichts mit einer Zelle genutzt werden“, erklärt Daniel Bahro, der sich in Alexander Colsmanns Team auf die Erforschung der Schichtzusammensetzungen spezialisiert hat. Dabei steckt die Herausforderung darin, die richtigen Schichtdicken für eine Zelle zu ermitteln und die Schichten in der korrekten Reihenfolge so auf den Polymerträger aufzubringen, dass sie sich nicht vermischen und sich nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Ein komplizierter Prozess, der zwar im Labor schon funktioniert, aber noch großtechnisch ausgelegt werden muss.

„Hinter jeder Frage in unserem Forschungsgebiet stecken hochkomplexe Zusammenhänge und jede Lösung für ein Problem führt zu einer neuen Reihe an Fragestellungen. Trotzdem sind wir überzeugt davon, dass das Gesamtprodukt in einigen Jahren funktionieren wird“, sagt Alexander Colsmann. „Diese Forschung macht Sinn, weil in der Zukunft kein Weg daran vorbeiführt, die Sonne als Energiequelle zu nutzen.“