Solarfaser für Textil-Kraftwerke

Noch liegt das aus Solarfasern gewobene T-Shirt, das aus Sonnenlicht genug Strom für Laptop und Smartphone erzeugt, in weiter Ferne. Doch die Entwicklung von stromerzeugenden Fäden macht deutliche Fortschritte. So schaffte es ein Team der Fudan Universität in Shanghai, den Wirkungsgrad dünner Fasern auf knapp zwei Prozent zu steigern. So gering diese Ausbeute auch ist, könnten diese Fasern, über ein ganzes Kleidungsstück verwoben, zur Versorgung einzelner elektronischer Geräte ausreichen. In ersten Versuchen ließ sich bereits ein MP3-Player über ein kleines Areal der Stromfasern betreiben.

„Nanopartikel aus Titanoxid konnten den Kontakt zum lichtaktiven Material und den Ladungstransport deutlich verbessern“, sagt Huisheng Peng, Leiter des State Key Laboratory of Molecular Engineering of Polymers. Ausgehend von einem hauchdünnen Titandraht deponierten die Forscher zuerst eine Schicht aus Titandioxid-Nanoröhrchen rund um diesen Draht. Darauf folgte die nun erstmals verwendete Schicht aus kleinen Titandioxid-Nanoteilchen. Diese konnten den elektrischen Kontakt zu den photovoltaisch aktiven Schichten aus den Komponenten für organische Solarzellen verbessern. Schließlich verdrillten die Forscher diesen lichtaktive Faden mit einer Faser aus mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Die stabilen Kohlenstoff-Nanoröhrchen verliehen der Faser nicht nur eine gute Stabilität. Sie dienten auch als Anode der fasenförmigen Solarzellen, wobei der Titan-Kern die Aufgabe der Kathode übernahm. Den Einfluss der Nanoteilchen aus Titandioxid ermittelten Peng und Kollegen durch vergleichende Messungen der Stromausbeuten mit Solarfasern, die ohne die zusätzliche Titandioxid-Schicht gefertigt wurden. So ließ sich der Wirkungsgrad von 1,31 auf 1,78 Prozent steigern. „In weiteren Schritten wollen wir die Ausbeute dieser fadenförmigen Polymer-Solarzellen weiter erhöhen“, sagt Peng.

Weniger problematisch als die geringe Stromausbeute zeigte sich dagegen die mechanische Stabilität der insgesamt knapp 200 Mikrometer dicken und einige Zentimeter langen Fasern. Verwoben zu einem grobmaschigen Netzwerk rollten und verbogen die Forscher die Stromfasern über tausend mal und konnten danach noch etwa 85 Prozent des ursprünglichen Wirkungsgrads erreichen. Ausgesetzt an Luft alterten die Fasern allerdings, so dass sie nach 16 Tagen nur noch 70 Prozent der anfänglichen Stromausbeute aufwiesen. Noch nicht getestet wurde der Einfluss von Wasser, der für die Nutzung in waschbaren Textilien möglichst gering sein sollte. Dafür sind die Forscher überzeugt, dass ihr Fertigungsprozess leicht an Spinnverfahren der Textilindustrie angepasst werden könnten, um größere Mengen an Stromfasern herstellen zu können.

Die Nutzung von Sonnenlicht ist jedoch nicht der einzige Ansatz, um in Zukunft stromerzeugende Textilien zu entwickeln. So setzt die Gruppe um Zhong Lin Wang am Georgia Institute of Technology auf piezoelektrische Fasern mit einem Kern aus Zinkoxid, die allein durch mechanische Bewegungen Strom erzeugen können. Seit einigen Jahren entwickeln Wang und Kollegen immer ausgefeiltere Prototypen, die Ströme von mehreren Pikoampere bei etwa 50 Millivolt Spannung liefern. Bisher reicht dieser Strom höchstens aus, um einzelne Leuchtdioden zu betreiben.

Beide Ansätze zeigen, dass der Weg zu einem verlässlich stromerzeugenden Stoff noch sehr weit ist. Allerdings ließen sich auch Solarfasern und piezoelektrische Fäden miteinander kombinieren, um die Stromausbeute weiter zu steigern. Parallel gilt es, vor allem die Stabilität dieser Fasern gegenüber Luft und Wasser etwa durch eine geschickte Kapselung weiter zu erhöhen. Dann wäre es durchaus vorstellbar, dass in Zukunft Stromfasern einen mitgeführten Akku permanent aufladen, der darauf als Backup-Versorgung für mobile Elektronik dienen könnte.

Jan Oliver Löfken

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