Finnische Wissenschaftler haben kürzlich ein neues biobasiertes Material entwickelt, das die Lebensdauer von Solarzellen verlängern und die Abhängigkeit von erdölbasierten Kunststoffen verringern könnte. Ein Team unter der Leitung der Universität Turku hat in Zusammenarbeit mit der Aalto-Universität und der Universität Wageningen gezeigt, dass Nanozellulosefolien mit rotem Zwiebelschalenextrakt im Hinblick auf den UV-Schutz herkömmlichen Schutzfolien aus Polyethylenterephthalat (PET) überlegen sind.
Solarzellen verschlechtern sich allmählich, wenn sie ultravioletter Strahlung ausgesetzt werden, wodurch die Elektrolytschicht beschädigt wird, beispielsweise bei farbstoffsensibilisierten Zellen. Zu diesem Zweck verwenden Hersteller zum Schutz häufig Polymerbeschichtungen wie Polyvinylfluorid (PVF) oder PET. Diese Materialien werden jedoch aus fossilen Brennstoffen gewonnen und sind nicht leicht abbaubar. Ziel dieser Forschung ist es herauszufinden, ob erneuerbare, zellulosebasierte Materialien die gleiche Schutzwirkung erzielen können.
Das Forschungsteam wählte Nanozellulose als Basis, stellte durch Extraktion nanoskaliger Fasern einen Film her und behandelte ihn mit natürlichen UV-Absorbern (darunter Lignin, Eisenionen und Extrakt aus roten Zwiebelschalen). Alle drei hatten zuvor das Potenzial, UV-Strahlen zu blockieren, aber diese Studie ist die erste, die einen langfristigen systematischen Vergleich durchführt.
Die Ergebnisse zeigten, dass Filme mit rotem Zwiebelschalenextrakt am besten abschneiden. Tests haben gezeigt, dass die Folie 99,9 % der ultravioletten Strahlen unter 400 Nanometern blockieren kann und gleichzeitig mehr als 80 % der Lichtdurchlässigkeit im Bereich von 650 bis 1100 Nanometern beibehält. Die Aufrechterhaltung einer hohen Durchlässigkeit von sichtbarem Licht und Licht im nahen Infrarot ist für die Solarstromerzeugung von entscheidender Bedeutung.
Die Forscher platzierten die farbstoffsensibilisierte Solarzelle unter der Folie und setzten sie 1.000 Stunden lang künstlichem Sonnenlicht aus (entspricht etwa einem Jahr Sonnenschein im Freien in Mitteleuropa) und beobachteten weiterhin die Leistung und das Aussehen der Folie und der Batterie. Dadurch zeigte die rote Zwiebelschalenfolie nur leichte Verfärbungen und behielt grundsätzlich ihre optischen Eigenschaften bei, wodurch der Akku jederzeit wirksam geschützt wurde. Im Gegensatz dazu kann die mit Eisenionen behandelte Membran im Frühstadium Licht gut durchlassen, baut sich dann aber schnell ab. Obwohl die Ligninmembran eine starke UV-Blockierfähigkeit besitzt, weist sie eine dunklere Farbe auf, was die Durchlässigkeit für sichtbares Licht erheblich beeinträchtigt.
Rustem Nizamov, Doktorand an der Universität Turku, sagte, dass Langzeittests erhebliche Unterschiede in der Stabilität verschiedener biobasierter Membranen aufgedeckt hätten. „Diese Studie unterstreicht die Bedeutung von Langzeittests von UV-Filtern. Andere biobasierte Filter weisen im Laufe der Zeit offensichtliche Veränderungen im UV-Schutz und der Lichtdurchlässigkeit auf.“
Der Forschungsschwerpunkt liegt auf farbstoffsensibilisierten Solarzellen, die besonders empfindlich auf UV-Degradation reagieren. Das Team wies darauf hin, dass die Ergebnisse auf Perowskit- und organische Photovoltaik-Technologien anwendbar sind. Auch diese hochmodernen Solarzellen benötigen einen zuverlässigen UV-Schutz und basieren derzeit auf nicht abbaubaren Kunststoffen. Schutzfolien aus Pflanzenabfällen, beispielsweise Zwiebelschalen, sind nicht nur langlebig, sondern bieten auch Vorteile in der Nachhaltigkeit.
Die Forschung ist Teil der Bemühungen der finnischen Forst- und Materialindustrie, Mehrwertprodukte aus natürlichen Ressourcen zu entwickeln. Kati Miettunen, Professorin für Werkstofftechnik an der Universität Turku, wies darauf hin, dass die Forstindustrie hofft, neue Produkte mit hoher Wertschöpfung zu entwickeln, die voraussichtlich auch zu Schlüsselkomponenten im elektronischen Bereich wie Solarzellen werden.
Das Team geht davon aus, dass dieses vollständig biologisch abbaubare Material in Zukunft in Produkten verwendet werden könnte, bei denen ein Recycling nicht möglich ist, beispielsweise in Einwegsensoren oder intelligenten Verpackungen. Der Ersatz der erdölbasierten Schutzschicht durch mit natürlichen Pigmenten angereicherte Nanozellulose fördert nicht nur die nachhaltige Entwicklung der Solarenergietechnologie, sondern trägt auch zur Erweiterung der Anwendungsszenarien bei.
Die Forschung wurde durch das vom finnischen Forschungsrat finanzierte BioEST-Projekt unterstützt und die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Applied Optical Materials veröffentlicht.