Fachgruppe Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme
Drittmittel-Projekt: „Funktionalisierte Farbstoffe aus Mikroalgen für Solarzellen“
(SolarAlgen), Laufzeit: April 2021 bis Mai 2024, gefördert durch das EKSH
In diesem F&E Projekt sollen basierend auf der Arthrospira-Produktion bei Sea & Sun Technology GmbH (Trappenkamp, Schleswig-Holstein) natürliche Farbstoffe, insbesondere lineare Tetrapyrrole, aus Biomasse gewonnen und diese anschließend zur Herstellung und Charakterisierung von Farbstoffsolarzellen verwendet werden. Da diese Farbstoffe bisher kaum auf ihre Eignung in Farbstoffsolarzellen getestet werden, sind zunächst sowohl die Extraktionsmethoden für den Farbstoff als auch parallel dazu die Zellstrukturen für die Einbettung des Farbstoffs in eine Solarzelle grundlegend zu entwickeln. Nach ersten erfolgreichen photovoltaischen Testungen im Labor für Regenerative Energien, Nanotechnologie und Photonik im Solarhaus der THL sollen die gewonnenen natürlichen Farbstoffe durch chemische Synthese in ihren Eigenschaften gezielt angepasst werden, um höhere Wirkungsgrade und/oder eine bessere Langzeitstabilität in den Farbstoffsolarzellen zu erreichen. Dabei stehen vor allem, die Anbindung des Farbstoffes an den TiO2-Halbleiter, die intermolekularen Wechselwirkungen in der Farbstoffsolarzelle, verbesserte Ladungsträgerinjektion und -transporte sowie die technologische Verbesserung der Zellstruktur im Fokus.
Grafik: Fachgruppe Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme
Durch die enge Verzahnung der chemischen und photovoltaischen Untersuchungen sollen Struktur-Eigenschaftsbeziehungen gefunden werden, die eine kontinuierliche Verbesserung der Eigenschaften erlauben. Die begleitende theoretische Untersuchung soll die Auswahl an zu synthetisierenden Stoffen (bzgl. HOMO- und LUMO-Position, Absorptionseigenschaften etc.) einschränken und so den experimentellen Aufwand reduzieren. Als finales Ergebnis wird eine Prototyp-Solarzelle auf Basis von Tetrapyrrol-Farbstoffen aus Biomasse angestrebt, die hinsichtlich ihrer photovoltaischen Funktionalität (Effizienz und Langzeitstabilität) getestet wurde. Weiterhin sollen erste Ansätze gezeigt werden, die eine Optimierung der Effizienz und Langzeitstabilität ermöglichen.
Projektpartner
Sea & Sun Technology GmbH
Prof. Dr. Paweł Buczek, Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg, Fakultät Technik und Informatik
„Elektrisch leitfähige Polymere zur Umwandlung von Abwärme in Strom an nanostrukturierten Solarzellen“ (SolarTEG)
Ziel des Projektes „Elektrisch leitfähige Polymere zur Umwandlung von Abwärme in Strom an nanostrukturierten Solarzellen“ (SolarTEG) ist die Entwicklung einer neuartigen solar-thermoelektrischen Zelle inklusive Bau und Testung eines Prototyps unter Realbedingungen im Solarhaus der TH Lübeck. Innerhalb der Fachgruppe Fachgruppe „Materialien für Speicher- und Regenerative Energiesysteme“ (FAMES) ist das Vorhaben unter das übergeordnete Forschungsziel „Energie-Recycling: Kombination aus organischen und anorganischen Materialien“ einsortiert. Dazu sollen thermoelektrische Bauelemente (TEG) aus nachhaltigeren, nicht-toxischen thermoelektrischen Materialien entwickelt werden. Diese beruhen maßgeblich auf leitfähigen Polymeren, die mit nanostrukturierten Silizium-basierten Solarzellen geschickt gekoppelt werden, um eine Effizienzsteigerung zu erreichen.
Durch die Nanostrukturierung des Siliziums werden Quanteneffekte ausgenutzt und so die Effizienz des thermoelektrischen Moduls signifikant erhöht. Die konjugierten Polymere können durch organische Synthese in ihren elektronischen Eigenschaften gezielt angepasst werden, sind flexibel und können im Prinzip durch Drucken als Bauteile hergestellt werden. Aufgrund dieser einfachen Verarbeitung könnten in Zukunft die Herstellkosten des TEG entscheidend gesenkt werden. Daneben bringt FAMES die Kompetenz der großflächigen und industrierelevanten Nanostrukturierung der Siliziumoberfläche der Solarzelle ein, was zusätzlich die Effizienz der Zelle steigert.
In Abb. 1 sind die wesentlichen Schritte des Konzepts der Fachgruppe zur Konstruktion der solar-thermoelektrische Zelle zusammengefasst:
- Nanostrukturierung der Silizium-Oberfläche der Solarzelle;
- Kopplung der nanostrukturierten Solarzelle mit TEGs an der Rückseite;
- Entwicklung eines nachhaltigeren, polymerbasierten TEGs.
Abb. 1: Darstellung des Vorhabens „SolarTEG: Elektrisch leitfähige Polymere [1,2] zur Umwandlung von Abwärme in Strom an nanostrukturierten Solarzellen“ und der relevanten Vorarbeiten der Fachgruppe FAMES
Die erforderlichen Materialien stehen in der Fachgruppe zur Verfügung bzw. können basierend auf den Kompetenzen von Prof. Dr. N. Buczek (nanostrukturiertes Silizium) und Prof. Dr. M. Elbing (elektrisch leitfähige, konjugierte Polymere) erhalten werden. Im Solarhaus sollen diese neuartigen solar-thermoelektrischen Bauelemente unter Realbedingungen charakterisiert werden.
Gefördert aus dem Strategiebudget der TH 2030
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1 G. Prunet, F. Pawula, G. Fleury, E. Cloutet, A.J. Robinson, G. Hadziioannou, A. Pakdel, Materials Today Physics 18 (2021) 100402
2 Nagaraj Nandihalli, Chia-Jyi Liu, Takao Mori, Nano Energy 78 (2020) 105186
