Von hinten durch die Brust ins Auge

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Wer letzten Sommer versuchte, Marc Baldo per Telefon im Büro zu erreichen, musste Glück haben. Die Sekretärin wimmelte Anrufer so gut wie möglich ab. Ein Artikel, den Baldo mit seinen Kollegen vom MIT, dem Massachusetts Institute of Technology, im Fachjournal Science veröffentlicht hatte, schlug medial ein. Von Wired.com in den USA bis hin zu der britischen BBC und der indischen Economic Times – alle wollten von Baldo wissen, wann der große Durchbruch kommt. Besonders die Tagespresse hatte von einer angeblichen Erfindung berichtet, die Photovoltaik viel billiger machen soll.

Baldo leitet am MIT die Forschung an den sogenannten organischen Sonnenkollektoren, die nach der englischen Bezeichnung „organic solar collectors“ auch OSC abgekürzt werden.Sie haben – anders als es der Name erwarten lässt – nichts mit solarthemischer Energiegewinnung zu tun. Und mit den Grätzelzellen haben sie nur gemeinsam, dass beide organische Farbstoffe nutzen. Doch während diese in der Grätzelzelle einen Teil der Rolle des sonst in der Photovoltaik notwendigen Halbleiters übernehmen, dienen sie in den organischen Solarkollektoren nur als Lichtkonzentrator. Fluoreszenz nennt sich das zugrunde liegende physikalische Prinzip, deshalb heißen die Systeme auch Fluoreszenzkollektoren. Der Laie würde vermutlich nicht erkennen, dass Hightech dahintersteckt. Die Kollektoren des MIT sehen aus wie einfache, bunte Glasplatten. Der Farbstoff auf der Oberfläche absorbiert das einfallende Licht und strahlt dieEnergie als Licht einer bestimmten Farbe wieder ab. Allerdings zu einem großen Teil nicht nach außen, sondern nach innen in die Glasplatte hinein. Trifft es auf von innen auf die Oberfläche, wird es größtenteils nach innen zurückreflektiert. Von hinten durch die Brust ins Auge – und das ist der Clou – tritt es hauptsächlich und in konzentrierter Form an den schmalen Kanten wieder aus. Dort sitzen dann die Solarzellen. Durch die Konzentration des Lichts sind weniger Zellen nötig, was insgesamt die Systemkosten senken soll. Die zurzeit üblichen Konzentratoren verwenden Spiegel oder Linsen. Sie haben den Nachteil, dass sie der Sonne nachgeführt werden müssen. Bei Baldos Fluoreszenzkonzentratoren soll das nicht nötig sein. Im Prinzip lassen sich sogarmehrere verschiedenfarbige seiner Kollektoren übereinanderlegen und die Solarzellen auf das jeweilige Lichtspektrum anpassen. Damit würden die Entwickler Konzentrator- und Tandemzelle in einem realisieren. Wenn das preiswert ginge, wäre das ein beachtlicher Durchbruch. Bis dahin ist es jedoch – anders als in der Presse verlautbart – noch ein weiter Weg. Ähnlich wie bei der Grätzelzelle kämpfen die Forscher damit, dass die Farbstoffe nicht stabil genug sind und unter Lichteinstrahlung innerhalb weniger Jahre zerfallen. Baldo lässt sich dadurch nicht entmutigen. Er hat schon an organischen LEDs geforscht; dort habe man erreicht, dass die Alterung „kein Hindernis mehr darstellt“. Mit seiner Erfahrung hofft er nun, organische Farbstoffe auch für Solaranwendungen langlebig genug zu machen. „Bei einem unserer Farbstoffe haben wir bereits keine Degradation mehr messen können.“ Auch was den Wirkungsgrad angeht, legen etliche Presseberichte eine falsche Assoziation nahe. Baldo wurde dahingehend zitiert, sein Team habe einen Wirkungsgrad von 6,8 Prozent erreicht – über die Größe der Kollektoren schwiegen sich die Autoren jedoch aus. An dem Wissenschaftler wird es wohl nicht gelegen haben. Er erklärt jedem, der es wissen will, dass die Zahl nur bei Kollektoren möglich ist, die zwei mal zwei Zentimeter groß sind. Hin und wieder liest man sogar etwas von 20 Prozent Wirkungsgrad, was für diese Technologie wirklich sensationell viel wäre. Doch dass das möglich sein könnte, ist nur eine Hypothese, die auf Baldos Berechnungen und auf angenommenen Eigenschaften noch zu entwickelnder Solarzellen beruht.

Pioniere in Freiburg

Am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE halten Experten zwar auch viel von der Technologie, doch sie verstehen nicht, was das Presseecho jetzt ausgelöst hat. Sie sollten es wissen, denn dort sitzt mit dem inzwischen pensionierten Institutsleiter Adolf Goetzberger der Pionier der organischen Solarkollektoren, der 1977 die erste Arbeit dazu veröffentlicht hatte. Jetzt arbeitet Fraunhofer-Forscher Jan Goldschmidt daran weiter. „Wir haben inzwischen auch einen Wirkungsgrad von 6,7 Prozent erreicht“, sagt er.Das Prinzip der Freiburger ist zwar ähnlich, aber nicht exakt gleich. Während Baldo seine Farbstoffe an der Oberfläche von Glasplatten aufbringt, färben Goldschmidt und seine Kollegen ganze Kunststoffplatten ein. Auf diehohen Wirkungsgradwerte kommen sie dann durch eine sogenannte „photonische Struktur“, die sie auf der Oberfläche der Zellen erzeugen. „Das ist wie eine Falle, damit weniger Licht aus dem Kollektor entweicht“, sagt Goldschmidt. Während er verstärkt an einer besseren Oberflächenstruktur arbeitet, verbessert Baldo die Farbstoffe selbst – und hat beim Wirkungsgrad wohl die Nase leicht vorn. Doch beide arbeiten noch mit zwei mal zwei Zentimeter großen „Scheiben“, um die 6,7 und 6,8 Prozent Wirkungsgrad zu erreichen. Während die Presse aus Baldos Zahlen eine kleine Revolution machte, zeigt Baldo selbst im Gespräch mit der photovoltaik Bescheidenheit gegenüber dem derzeitigen geringen Vorsprung vor dem ISE: „Machen Sie nicht zu viel daraus.“ Auf dem Weg von Quadratzentimeter- auf Fenstergröße lauerten etliche Tücken. Und er fügt hinzu, dass er „Photonen rein, Photonen raus“ gemessen hat, nicht den tatsächlich von Solarzellen erzeugten Strom. „Es würde mich nicht überraschen zu hören, dass das ISE den Strom selbst gemessen hat.“ Wir fragten nach: Ja, das ISE hat den Strom gemessen. Das ist in der Tat ein wesentlicher Punkt, der in der Presse unverständlicherweise nicht erwähnt wurde. Baldo hat nur die Glasplatten hergestellt und deren optische Eigenschaften vermessen. Auf die Wirkungsgrade, die das Medienecho ausgelöst haben müssen, kam er dann nur durch Berechnungen. Dazu nahm er an, dass er Zellen mit bestimmten Eigenschaften an die Ränder der Platten montieren würde. Goldschmidt hat dagegen Fluoreszenzkollektoren mit realen, bereits existierenden Zellen verbunden und den Wirkungsgrad tatsächlich gemessen. Außerdem ist fraglich, ob wirklich jemand an den bunten Solarfenstern Interesse haben wird. Farbige Fenster sind nicht nur gewöhnungsbedürftig, sondern verdunkeln auch die Räume. Auch der Bedarf an aktiver Heizung könnte leicht steigen – nicht gerade das, was man in Zeiten des kommenden Passivhausstandards für Gebäude braucht. „Ich weiß nicht, weshalb alle von den Solarfenstern reden“, sagt auch Baldo. Das sei eine Option, aber sein Ziel sei ein anderes. „Wir glauben, dass wir bis zu 70 Prozent mehr Strom aus bestehenden Solaranlagen herausholen können, wenn wir halbtransparente Fluoreszenzkollektoren draufpacken.“ Dann würden sie oben auf konventionellen Siliziummodulen liegen. Ein Teil des Lichtspektrums ginge ungehindert durch und würde von den Siliziumzellen genutzt. Ein anderer, höher energetischer Teilwürde von den Fluoreszenzkollektoren eingefangen und auf die an die Farbe angepassten Zellen transportiert. Damit würden konventionelle Module zum Tandemmodul umgerüstet.

Technik der Zukunft

Beide Forscher stimmen in ihrer Einschätzung überein, dass Farbstoffkollektoren kommen werden, und zwar eher mittel- als langfristig. Und beide Forscher planen die Weiterentwicklung zur Marktreife. Die ISE-Forscher sprechen im Augenblick mit zwei Firmen, „die in drei bis fünf Jahren Produkte auf den Markt bringen wollen“. Baldo hat seine eigene Firma, Covalent Solar, gegründet. Und wer meint, man könne hierzulande mit mehr Ruhe – und weniger Unterbrechungen von der Presse – forschen, übersieht die Vorteile, die Baldo genießt. Durch großen Presserummel kann er nämlich die Aufmerksamkeit bekommen, die er zum Sammeln des notwendigen Risikokapitals braucht.