Korrosionsstabile textilbasierte Solarzellen (KorTeSo)

Der Markt für Sensorik & Mikrosysteme zeigt derzeit hohe Zuwachsraten. Aufgrund des Kostendruckes im Gesundheitswesen besteht ein Bedarf an intelligenten, mobilen Lösungen für modernes Gesundheitsmonitoring in den Feldern Ambient Assisted Living, mHealth, Smart Home, Sportdiagnostik, Telemedizin, Vitalfunktionsüberwachung und elektronische Textilien. All diese Anwendungen benötigen eine mobile, weitgehend autarke Energieversorgung, die leichtgewichtig & einfach textil integrierbar ist. Eine Variante dafür ist Photovoltaik. Derzeit existieren lediglich erste Beispiele, Solarzellen auf das Textil aufzusetzen. Wirklich intrinsisch textilbasierte Solarzellen sind daher ein völlig neuer Lösungsansatz. Ziel des Projektes war eine explizit textilbasierte Farbstoffsolarzelle, wofür korrosionsstabile Filamentelektroden benötigt werden (inkompatibel sind z. B. Ag Metallisierungen auf den Filamenten und J^-/ J₃^- als übliche Elektrolytkomponente).

Ergebnisse

Im Unterschied zu klassischen Farbstoffsolarzellen war der Ansatz des BMBF-Verbundprojektes

• textile Substrate statt Glas
• elektrochemisch aus Lösung abgeschiedenes Zinkoxid statt TiO₂ (mittels Siebdruck/ Rakeln) ohne den bei TiO₂ üblichen Sinterschritt
• galvanisch oder durch Tauchbeschichtung abgeschiedenes Platin statt Sputtern
• Iodid/Triiodid-freie organische Lochleiter-basierte Festelektrolyte (oder Co²⁺/Co³⁺ Gelelektrolyte) auf versilberten Polyamidfäden (Konzept A) bzw.
• J^-/ J₃^- - haltige, nitrilfreie hochviskose Gelelektrolyte statt nitril-basiertem Flüssigelektrolyt auf mit Ventil-metallen passivierten leitfähigen Filamenten (Konzept B)

Schwerpunkt des TITK-Teilprojektes war die Fest- & Gelelektrolytentwicklung sowie die Zellprozessierung.

In Modellzellen mit elektrochemisch präparierten ZnO-Filmen auf FTO-Glas wurde mit spiro-MeOTAD als Lochleiter ein Wirkungsgrad h_AM1.5 von 1.38% bzw. 1.78% (100 bzw. 47 mW/cm²) erzielt (auf ZnO-freien Referenzproben mit FTO-Glas/TiO₂ 4.69%). Faden-Faden-Solarzellen auf Ag-Draht/ZnO mit neuartigem Iodid/Triiodid-freien Co²⁺/Co³⁺ Gelelektrolyt ergaben eine Effizienz von h_AM1.5 = 0.98%. Es gelang erstmals ein voll-textiler Demonstrator realisiert als funktionierendes Solargewebe mit versilberten Polyamidfilament-Elektroden und dafür neu entwickeltem Iodid/Triiodid-freiem Co²⁺/Co³⁺ Gelelektrolyt (h_AM1.5 = 0.63%, Zellen & Elektrolyt noch nicht optimiert). Faden-Faden-Solarzellen auf Ta-Draht/ZnO mit Iodid/Triiodid-haltigem, nitrilfreien Gelelektrolyt lieferten h_AM1.5 = 1.79%. Ein Modul aus 10 derartigen Faden-Faden Zellen verschaltet in Serie ergab brutto h_AM1.5 = 0.91% (6.1 V im Sonnenlicht). Alle Zellen wurden an Luft prozessiert. Es erfolgten Technologieversuche zum Up-Scaling an einer Fadenbeschichtungsanlage.