Mit einer neuartigen Solarzelle lässt sich sowohl aus Sonnenlicht als auch aus Regen Strom erzeugen. Ein Team des Instituts für Materialwissenschaften in Sevilla (ICMS) hat eine Hybridzelle entwickelt, die gleichzeitig Strom aus Sonnenstrahlung und dem Aufprall von Regentropfen erzeugen kann. Während die Perowskit-Solarzelle auf dem photovoltaischen Effekt basiert, nutzt der Teil der Zelle, der Regentropfen zu Strom macht, den triboelektrischen Effekt.
Der triboelektrische Effekt beschreibt die Entstehung elektrischer Ladung durch Kontakt und anschließende Trennung zweier unterschiedlicher Materialien. Berühren sich zwei Oberflächen, können Elektronen von einem Material auf das andere übergehen. Werden die Materialien wieder voneinander getrennt, bleibt eine Ladungsdifferenz zurück, die zu einer elektrischen Spannung führt. Trifft etwa ein Wassertropfen auf eine geeignete Polymeroberfläche, entsteht durch den Kontakt und das anschließende Abfließen oder Ablösen des Tropfens eine Ladungstrennung, die über Elektroden als elektrischer Impuls abgegriffen werden kann.
Die zentrale Innovation der Gruppe liegt folglich in einer fluorierten Polymerschicht, bezeichnet als „CFₓ-Schicht“, die mehrere Funktionen zugleich erfüllt. Sie dient als Verkapselung zum Schutz der Perowskitschicht vor Feuchtigkeit. Die fluorierte Schicht erhöht aufgrund ihrer chemischen Funktionalität die Hydrophobie der Oberfläche und reduziert damit die Wechselwirkung mit Wasserdampf und flüssigem Wasser. Zudem weist sie besagte triboelektrische Eigenschaften auf und bleibt dabei mit einer optischen Transparenz von über neunzig Prozent ausreichend lichtdurchlässig, um den photovoltaischen Betrieb nicht zu beeinträchtigen.
Die Abscheidung der Schicht erfolgt bei Raumtemperatur unter Vakuum und mit Plasmatechnologie. Nach Angaben der Autoren blieb die Leistungsfähigkeit der Solarzellen durch die Beschichtung nahezu unverändert. Die besten Zellen erreichten weiterhin einen Wirkungsgrad von 17,9 Prozent.
Für die triboelektrische Energiegewinnung wurde die chemische Zusammensetzung der CFₓ-Schicht optimiert. In einer Variante erreichte der allein durch Regentropfen angetriebene Generator Leerlaufspannungen von bis zu 110 Volt und eine maximale Leistungsdichte von etwa vier Milliwatt pro Quadratzentimeter.
Im kombinierten Hybridaufbau von photovoltaischer und triboelektrischer Stromerzeugung erzielte das System bei einer Beleuchtungsstärke von 0,5 Sonnen eine Kurzschlussstromdichte von 11,6 Milliamper pro Quadratzentimeter. Zusätzlich wurden Spannungsspitzen von bis zu zwölf Volt pro auftreffendem Tropfen gemessen.
In einem Demonstrator nutzten die Forscher die Hybrid-Perowskit-Solarzelle, um einen Superkondensator zu laden. Über einen eigens entwickelten Aufwärtswandler konnte eine rote LED-Leiste kontinuierlich betrieben werden. Die Autoren betonen, dass die Ladegeschwindigkeit im Wesentlichen von der Solarzelle bestimmt wird, während der Beitrag des triboelektrischen Generators lediglich ergänzend wirkt. Ob sich das Konzept über den Labormaßstab hinaus für großflächige Anwendungen eignet, bleibt offen.
Die Entwicklung ist Teil des 3DScavengers-Projekts, das vom Europäischen Forschungsrat (ERC Starting Grant) finanziert wird, und des Drop Ener-Projekts, das aus Mitteln der Next Generation-Fonds kofinanziert wird.
In der Fachzeitschrift Nano Energy veröffentlichten die Forscher ihre Ergebnisse unter dem Titel „Water-resistant hybrid perovskite solar cell – drop triboelectric energy harvester“.
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Neue Wasserkraft! Bitte nicht übelnehmen, aber ich fühle mich zu der spaßigen Wette gereizt, dass eine in das Fallrohr der Dachentwässerung eingebaute Laufwasser-Kleinturbine mehr Energie erzeugen würde als die Regentropfen auf der Triboelektrizitätsschicht. Aber nichts für ungut – immerhin war der Effekt ja nachweisbar mit maximal etwa vier Milliwatt pro Quadratzentimeter. Wer gewinnt?
wenn ich die 4 mW hochrechne auf die Fläche von 25 Modulen (50m²), dann wäre das immerhin eine Leistung von 2 kW. Gar nicht schlecht für Regenwetter!
„Die Autoren betonen, dass die Ladegeschwindigkeit im Wesentlichen von der Solarzelle bestimmt wird, während der Beitrag des triboelektrischen Generators lediglich ergänzend wirkt. Ob sich das Konzept über den Labormaßstab hinaus für großflächige Anwendungen eignet, bleibt offen.“
mit dem Versuch das zu verstehen und einer weiteren Studie, welche einen 0.47uF Kondensator in 24 Sekunden auf ca. 2Volt auflädt (mit einer Tropfengeneratorfläche von ca. 25cm2=5x5cm und 3 Tropfen als Ladeenergie, ca. 940nJ in 24s (und 3 Tr. benetzen auch keine 25cm2 komplett)), damit einen Taschenrechner ein paar Sekunden betreibt oder ersatzweise einige (doch auch zig) LEDs, müsste man bei ca. 50m2, dann evtl. das ‚k‘ weglassen (je nach Effekt der ‚Regendichte‘?), damit man (hochgerechnet) auf realistische Leistungswerte käme(?)
Die 4mW/cm2 sind kurzzeitige ‚Höchstleistungen‘ (mit Steilflanken) im Millisekundenzeitraum und welche Dauerleistung (durchschnittlich, Plateaueffekte mit Dauerregen/potentialreduzierender? ‚Auftreffverteilung/-häufung’/Langzeiteinsatz (bswp. 15% (dauerhaft oder periodisch?) weniger nach >17000 Tropfen) sich dann ‚flächig‘ einregelt, ist etwas unklar(?)
Standardmodule mit ca. 24% Modulwirkungsgrad erreichen ca. 21mW/cm2 (gemittelte Dauerleistung), bei voller Sonneneinstrahlung mit 900W/m2?
0.5 suns = ca. 500W/m2 (nicht unbedingt nichts?)
500W/m2 bei Regen scheint schon 3-5x zu viel (je nach Bewölkung, Jahreszeit)?