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Glas der Zukunft

Solarfenster erzeugen Strom und ändern ihre Farbe

Caesium-Perowskit ermöglicht es, dass Fenster nicht nur ihre Farbe verändern, sondern auch im dunklen Zustand Strom erzeugen. In Zukunft könnten so Bürogebäude selber ihren Energiebedarf decken.

Berkeley (U.S.A.). Ein Team aus Wissenschaftlern unter der Führung von Jia Lin von der University of California in Berkeley ist die Entwicklung eines photovoltaisch aktiven Fensters gelungen. Es gibt bereits seit längerem Fenster, die sich durch den Einsatz kleiner elektrischer Spannung verdunkeln lassen. Die Wissenschaftler haben diese Funktion jedoch ergänzt. Ihre Neuentwicklung erzeugt im verdunkelten Zustand Strom, wie die Fachzeitschrift Nature Materials berichtet. Um das Fenster zu verdunkeln wird ein Phasenwandler mit Perowskit-Schichten eingesetzt. Die Forscher sind der Ansicht, dass die Fenster in Zukunft zur Verglasung von Gebäuden mit möglichst hoher Energieeffizienz verwendet werden können. Außerdem sind Autoscheiben und elektrische Werbetafeln mögliche Einsatzszenarien.

Lin erklärte, dass "dieses intelligente Solarfenster zwischen einem durchsichtigen und einem eingefärbten, photovoltaisch aktiven Zustand hin und her geschaltet werden können." Beim Bau des Prototypens wurde eine 200 Nanometer dünne Caesium-Perowskit Schicht mit einem durchsichtigen Glasträger verbunden. Eine Seite des Glasträgers wird mit Zinnoxid und Indiumzinnoxid vor Luft und Feuchtigkeit abgeschirmt. Testreihen zeigten, dass das Solarfenster bei Raumtemperatur rund 80 Prozent des sichtbaren Lichts durchließen. Die Forscher haben daraufhin das Fenster erhitzt. Es verfärbte sich nach dieser Behandlung unter Sonneneinstrahlung orange-rot und arbeitete als Solarzelle. Der erreichte Wirkungsgrad lag bei etwa sieben Prozent.

Phasenwechsel der Perowskit-Schicht

Im normalen klaren Zustand liegen die Kristalle in einer kubischen Struktur vor. Durch die Wärmebehandlung bei 105 Grad Celsius bildete sich die Perowskit-Kristallstruktur, die nicht mehr vollständig durchsichtig war. Der Phasenwechsel der Perowskit-Schicht sorgte dafür, dass etwa zwei Drittel des Lichts nicht mehr das Fenster durchdringen und das es parallel dazu photovoltaisch aktiv wird. Sobald das Fenster wieder Raumtemperatur erreichte und etwas Feuchtigkeit ausgesetzt wurde, kehrte sich der Phasenwechsel-Effekt wieder um. Das Fenster wurde wieder vollkommen klar. Das Experiment zeigte, dass der Phasenwechsel einige Dutzend Male durchgeführt werden kann, ohne dass dabei der Wirkungsgrad der Solarzellen geringer wird.

Durch den Prototyp konnten die Wissenschaftler belegen, dass elektrisch schaltbare Fenster nicht nur verdunkelbar sind, sondern auch zur Gewinnung von Strom dienen können. Bis die Fenster in der Praxis Anwendung finden können, müssen die Wissenschaftler aber noch die für den Phasenwechsel aktuell benötigte Temperatur von 100 Grad Celsius deutlich absenken. Außerdem muss ein Weg gefunden werden, um die Perowskit-Schichten zu stabilisieren. Die aktuell für das reversible Schalten eingesetzte Methode wird bei längeren Einsätzen die Schicht zerstören. Weitere Experimente sollen nun eine Kombination von Perowskit-Materialien finden, die stabil ist und einen noch besseren Wirkungsgrad bei der Stromproduktion aufweist.

1 Kommentar

Sergi Rafael
Lichtfarben von Sonnenlicht in eine andere Wellenlänge zu transformieren, ist eine Idee welche beim Essen mit Freunden besprach. Sonnenlicht besteht aus einem breiten Spektrum von Licht, es beginnt im Infrarotbereich und endet im Ultraviolett Bereich. Die Lichtfarbe Gelb und Grün sind Farben die auf Solar und Photovoltanikzellen den höchsten Wirkungsgrad zeigen. Ein Lichttransformator müsste die Lichtwelle vom Ultravioletten Bereich in den Gelb-Grünen Spektralbereich heruntertransformieren und der Rotbereich des Sonnenlichts müsste auch in den Gelb-Grünen Spektralbereich hochtransformiert werden. Die Wellenlaenge von Licht welches durch einen Kristall strahlt wird durch den Abstand des Kristallgitterstrucktur der Atome verändert. So besitzt ein Kristall mit der Kristallgitterstrucktur die Möglichkeit, Licht auf eine andere Frequenz zu transformieren. Wichtig dabei ist zu beachten dass die Vergrößerung der Abstände des Kristallgitter zu einer Verlangsamung der Lichtfrequenz führt und eine Verkleinerung der Abstände des Kristallgitter zu einer erhoehung der Lichtfrequenz fuehrt. Die erboehung der Lichtfrequenz bedeutet eine verschiebung des Lichtes in den Blaubereich, eine Erniedrigung der Lichtfrequenz bedeutet eine Verschiebung in den Rotbereich. Der Kristall sollte nun die Valenzelektronen beim verlassen und wiedereintreten der Schalenelektronen die Wellenlaenge des Lichtes auf eine andere Schwinung bringen, damit die Lichtfarbe transformiert wird.
Geignet dazu ist ein Silikatkristall das mit der geeigneten Struktur Schicht für Schicht diffudiert wird. Die Temperatur bei dem die Molekuele aufeinander diffudiert werden legt die Abstände der Kristallgitter fest.
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