Wasserfest und flexibel zugleich: Eine neue organische Solarzelle könnte den Weg zu stromproduzierender Kleidung ebnen. Denn die ultradünnen, dehnbaren Module überstehen selbst 20 Waschgänge ohne kaputtzugehen, wie japanische Forscher im Fachmagazin „Nature Energy“ berichten. Die von ihnen entwickelten wasserfesten, flexiblen Solarzellen könnten daher künftig auf Textilien aufgedruckt werden und so den Strom für Sensoren und andere kleinere Elektronikanwendungen liefern.
Längst sind Sensoren so klein geworden, dass man sie problemlos in Armbänder, Textilien und sogar Pflaster integrieren kann. Die Mini-Messgeräte überwachen beispielsweise unsere Körpertemperatur oder unseren Blutzuckerspiegel, messen unsere Bewegung und Herzrate oder analysieren unseren Schweiß und bestimmen den Promillewert in unserem Blut. Neuartige Stoffe können dank integrierter LEDs im Dunkeln leuchten.
Wer liefert den Strom?
Doch alle diese Neuentwicklungen haben einen Haken: Sie benötigen Strom – und bisher fehlt es an kleinen und flexiblen Lieferanten dafür. Eine Lösung dafür könnte organische Solarzellen sein, die in die Kleidung integriert sind. Denn sie sind ultradünn und auch elastisch genug.
Bisher jedoch haperte es an ihrer Wasserfestigkeit: Wird das Polymersubstrat der Solarzellen so dünn gemacht, dass es dehnbar wird, ist es nicht mehr dicht genug, um die sensible Elektronik vor Wasser zu schützen Eine Lösung könnten nun jedoch Hiroaki Jinno vom japanischen RIKEN-Forschungszentrum und seine Kollegen gefunden haben: „Wir haben waschbare Polymer-Solarzellen entwickelt, die eine hohe Effizienz und Dehnbarkeit aufweisen“, berichten sie.
Stabil auch im Tauchbad
Die neuen Solarzellen bestehen aus einer nur einen Mikrometer dünnen photovoltaisch aktiven Schicht, die zwischen zwei Schichten aus Parylen – einem wasserabweisenden transparenten Polymer – eingebettet wird. „Diese organischen Solarzellen können leicht an Falten von Kleidern oder Haut angepasst werden und sind mechanisch hochflexibel“, so die Forscher.
Schon diese „rohe“ Solarzelle ist in Wasser relativ stabil: Sie übersteht zweistündige Tauchbäder mit einer Degradierung von nur rund 20 Prozent, wie Jinno und seine Kollegen berichten. Selbst eine Wäsche mit Waschmitteln hält schon diese Solarzelle aus: „Wir haben das demonstriert, indem wir einen Fleck aus schwarzer, wasserlöslicher Farbe aus diesen Materialien ausgewaschen haben“, erklären die Wissenschaftler.
Übersteht 20 Waschgänge
Um den Wasserschutz noch zu optimieren, überzogen die Wissenschaftler diese drei Mikrometer dünne Roh-Solarzelle nun noch auf beiden Seiten mit einem 500 Mikrometer dicken Elastomer. Das Entscheidende dabei: Diese Schutzschichten waren im Moment des Verbindens um 200 Prozent vorgedehnt. Sobald die Schichten verbunden waren, zog sich dieses Polymer wieder zusammen und die Solarzelle im Inneren wellte sich dadurch.
Der Vorteil: Die organische Solarzelle samt Schutzschichten ließ sich problemlos um rund 50 Prozent dehnen oder zusammenstauchen. Sie verlor bei diesen Prozeduren maximal gut fünf Prozent ihrer Leistung. Gleichzeitig hielt sie auch mehrfacher mechanischer Belastung im Wasser stand. Selbst nach 20 „Waschgängen“ behielt die Solarzelle noch rund 80 Prozent ihrer anfänglichen Effizienz, wie die Forscher berichten. Ein T-Shirt, das mit diesen Solarmodulen bedruckt ist, wäre damit selbst nach dem Waschen noch funktionsfähig.
Leistung reicht für Wearables
„Wir hoffen, dass unsere waschbaren, leichten und dehnbaren organischen Photovoltaikmodule ganz neue Möglichkeiten als Stromquellen für tragbare Sensoren und andere Wearables eröffnen“, sagt Koautor Kenjiro Fukuda vom RIKEN-Forschungszentrum. Immerhin hat ihre neue Solarzelle einen Wirkungsgrad von 7,9 Prozent. Bei einem Lichteinfall von 100 Milliwatt produzierte ein Quadratzentimeter dieses wasserfesten, dehnbaren Moduls 13,8 Milliampere Strom und 0,57 Volt Spannung, wie die Forscher berichten.
Das ist zwar nicht viel, könnte aber schon bei einer wenig größeren Fläche ausreichen, um kleine Sensoren mit Energie zu versorgen. Ähnlich sehen es auch Ning Li und Christoph Brabec von der Universität Erlangen-Nürnberg: „Wir glauben, dass solche waschbaren und tragbaren Solarzellen sogar eine einzigartige Marktchance für die organische Photovoltaik werden könnten“, schreiben sie in einem begleitenden Kommentar. (Nature Energy, 2017; doi: 10.1038/s41560-017-0001-3)
(RIKEN, 19.09.2017 – NPO)
