Photovoltaik für die Metropole Fenster werden zum Energiespeicher

Das solarenergiespeichernde Fenster wird Realität: Wissenschaftler implementierten erstmals Silizium-Nanopartikel in sogenannte lumineszierende Solarkonzentratoren (LSCs). Jene LSCs bilden die Schlüsselelemente für künftige Photovoltaik-Fenster.

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Seit vielen Jahren forschen Wissenschaftler weltweit an diversen Varianten, wie Energie in und an Gebäudeflächen (Wände, Fenster etc.) gespeichert werden kann. Von Erfolg gekrönt war dies bisher nicht. Jetzt aber gelang Forschern der US-amerikanischen University of Minnesota der Durchbruch.

Sie integrierten in herkömmliche Fensterscheiben lumineszierende Solarkonzentratoren, die wiederum zusätzlich mit Silizium-Nanopartikel versehen wurden. Mit Hilfe der LSCs (luminescent solar concentrators) können einfallende Lichtstrahlen gebündelt und konzentriert werden, bevor sie in winzige, sich im Fensterrahmen befindliche, Solarzellen gespeichert werden. Das Fachmagazin Nature Photonics veröffentlichte die Forschungsarbeit rund um das Team von Senior-Autor Uwe Kortshagen.

Solarenergiespeichernden Fenstern gehört die Zukunft – sie werden als nächster größerer Etappenerfolg im Bereich der erneuerbaren Energien betrachtet. Speziell in großen Metropolen stellt das Speichern von umweltfreundlichen Energien erhebliche Probleme dar. Einerseits fehlt es oftmals an entsprechend nutzbaren und ausgewiesenen Flächen.

Zum anderen gab es bisher keine Möglichkeit, diese ästhetisch in ihre jeweilige Umgebung zu integrieren. Energiespeichernde Fenster verbinden somit den nützlichen mit dem optischen Ansatz. Sie benötigen keine Installationsgerüste und könnten mit wesentlich geringerem Aufwand gereinigt werden.

Der Hauptunterschied zu anderen wissenschaftlichen Versuchen, besteht in der Verwendung von Silizium-Nanopartikeln. Bisher wurde die entsprechenden Nanopartikel zumeist mit toxischen Wirkstoffen, wie Cadmium oder Blei, versehen. Auch Indium, das bereits in großem Stil in anderen Technologien eingesetzt wird, eignete sich nicht für den Einsatz bei Photovoltaik-Fenstern.

Silizium hingegen ist nicht toxischer Natur. Es erreicht zudem eine wesentlich höhere Effizienz, da die einfallenden Lichtstrahlen in verschiedenen Wellenlängen absorbiert werden. „In unserem Labor haben wir die Silizium-Kristalle auf die Größe von wenigen Nanometer schrumpfen lassen. Das entspricht ungefähr einem Zehntausendstel der Größe eines menschlichen Haares.“, erklärt Uwe Kortshagen, Professor für Maschinenbau an der University of Minnesota.

„Ab dieser Größe verändern sich die Eigenschaften von Silizium. Es wird zu einem äußerst effizienten Licht-Emitter, mit der wichtigen Eigenschaft, dass die eigene Lumineszenz nicht re-absorbiert wird.“, so Kortshagen weiter. Dieser Umstand stelle den Schlüsselfaktor dar, weshalb Silizium-Nanopartikel ideal für LSC-Applikationen geeignet seien.

Der neue Erkenntnisgewinn beruht auch auf vorangegangenen Pionier-Studien aus Italien, merkt Projekt-Co-Autor Sergio Brovelli, von der Universität Milano-Bicocca, an. Nicht zuletzt durch die geleistete Vorarbeit, habe sich das Entwicklungstempo in den vergangenen Jahren erheblich steigern lassen.

Seit mehr als zwölf Jahren wird bereits an der University of Minnesota an der Entwicklung von Silizium-Nanopartikeln geforscht. Ohne den entscheidenden Durchbruch – bis zum Jahr 2015. Damals kam es zur ersten Begegnung zwischen Kortshagen und Brovelli. Brovelli selbst ist ein anerkannter LSC-Experte. Das Potenzial einer wissenschaftlichen Partnerschaft sei beiden sofort klar gewesen.

Forscher aus Minnesota produzierten die benötigten Partikel und ihre italienischen Kollegen betteten diese in Polymere ein. „Für diese Partnerschaft haben wir wahrlich die besten Wissenschaftler in ihrem Bereich versammelt und konnten am Ende eine alte Idee doch noch Wirklichkeit werden lassen.“, resümiert Kortshagen. „Wir hatten die entsprechende Expertise im Bereich der Silizium-Nanopartikel und unser Partner aus Milan brachte sein LSC-Wissen ein. Als wir alles zusammengetragen hatten, wussten wir, dass wir etwas Besonderes schaffen würden.“

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