Wenn die Jacke Solarstrom liefert

Einem Forscherteam der Empa ist es gelungen, ein Material herzustellen, das wie ein leuchtender Solarkollektor funktioniert und gleichzeitig auf Textilien aufgebracht werden kann. Dies eröffnet zahlreiche Möglichkeiten, Energie direkt dort zu produzieren, wo sie benötigt wird, nämlich bei der Nutzung von Alltagselektronik.

Unser Energiehunger ist unersättlich, er steigt gar mit dem zunehmenden Angebot an neuen elektronischen «Gadgets» andauernd weiter an. Zudem sind wir fast immer auf Achse und somit auf eine permanente Stromversorgung angewiesen, mit der Smartphone, Tablet und Laptop aufgeladen werden können. In Zukunft könnten dafür Steckdosen womöglich obsolet werden. Der Strom käme dann direkt aus der eigenen Kleidung. Mittels eines neuen Polymers, das auf Textilfasern aufgebraucht wird, können Jacke, T-Shirt & Co. bald als Solarkollektor und damit als mobiler Energielieferant fungieren.

Leuchtstoffe flexibel machen

Schon heute werden Materialien in der Solarindustrie eingesetzt, die in der Lage sind, indirektes oder Umgebungslicht für die Energiegewinnung zu nutzen. Diese Materialien enthalten spezielle Leuchtstoffe und werden als «Luminescent Solar Concentrators», kurz LSC, bezeichnet. Die Leuchtstoffe in den LSC fangen indirekte Lichtstrahlen, also diffuses Umgebungslicht, ein und leiten sie zur eigentlichen Solarzelle weiter, die Licht dann in elektrische Energie umwandelt. LSC sind bisher jedoch nur als steife Bauteile erhältlich und für den Einsatz in Textilien ungeeignet, da sie weder flexibel noch durchlässig für Luft und Wasserdampf sind. Einem interdisziplinären Forscherteam um Luciano Boesel aus der Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles» gelang es nun, verschiedene dieser Leuchtstoffe in ein Polymer einzubringen, das genau diese Flexibilität und Luftdurchlässigkeit mitbringt.

Bewährtes Polymer mit raffinierten Eigenschaften

Grundlage für dieses neue Material bilden «Amphiphilic Polymer Co-Networks», auf Deutsch «amphiphilische Polymer-Konetzwerke» oder kurz APCN, ein in der Forschung seit langem bekanntes Polymer, das auf dem Markt bereits in Form von Silikon-Hydrogel-Kontaktlinsen erhältlich ist. Die besonderen Eigenschaften des Polymers – Durchlässigkeit für Luft- und Wasserdampf sowie Flexibilität und Stabilität – sind auch im menschlichen Auge von Vorteil und ergeben sich aus den besonderen chemischen Eigenschaften. «Wichtig für die Wahl genau dieses Polymers ist die Tatsache, dass wir hier zwei nicht-mischbare Leuchtstoffe im Nanometermassstab einbauen und diese interagieren können. Es gäbe auch andere Polymere, in die diese Leuchtstoffe integriert werden könnten, aber dabei würden sie miteinander verklumpen, und die Produktion von Energie wäre somit nicht mehr möglich», erklärt Boesel.

Leuchtende Solarkollektoren für Kleidung

In Zusammenarbeit mit Kollegen aus den Empa-Abteilungen «Thin Films and Photovoltaics» und «Advanced Fibers» hat Boesels Team zwei unterschiedliche Leuchtstoffe dem Gelgewebe beigemischt und es dadurch zu einem flexiblen Solarkollektor gemacht. Genau wie auf grossflächigen Kollektoren fangen die Leuchtstoffe hier ein deutlich breiteres Spektrum an Lichtstrahlen ein, als es mit konventioneller Photovoltaik möglich ist. Die neuartigen Solarkollektoren können auf Textilfasern aufgebracht werden, ohne dass das Textil brüchig und anfällig für Risse wird oder sich Wasserdampf in Form von Schweiss im Innern anstaut. Am Körper getragene Solarkollektoren bieten einen immensen Nutzen für den immer grösser werdenden Bedarf an Energie, insbesondere für tragbare Geräte.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Luciano Boesel
Biomimetic Membranes and Textiles
luciano.boesel@empa.ch
Tel. +41 58 765 73 93

Redaktion / Medienkontakt:

Stefanie Zeller
Kommunikation
redaktion@empa.ch
Tel. +41 58 765 60 59

Originalpublikation:

C Huang, K Jakubowski, S Ulrich, S Yakunin, M Clerc, C Toncelli, RM Rossi, MV Kovalenko, LF Boesel; Nano-domains assisted energy transfer in amphiphilic polymer conetworks for wearable luminescent solar concentrators; Nano Energy 76 (2020); https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105039

Weitere Informationen:

https://www.empa.ch/web/s604/wearable-solar-cells