Kirigami-Solarzellen für elegantes Nachführen

Kirigami ist die japanische Kunst, mit Faltungen und wenigen Schnitten dreidimensionale Objekte aus Papier zu gestalten. Von dieser Jahrhunderte alten Technik inspiriert entwickelten nun amerikanische Wissenschaftler ein Solarmodul, dass sich einfach und elegant am Tageslauf der Sonne ausrichten lässt. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichten, ließ sich dank dieser Nachführung die Stromausbeute um fast 40 Prozent steigern. Herkömmliche, mechanische Nachführsysteme erreichen zwar ähnliche Werte, sind jedoch deutlich teurer, schwerer und wartungsintensiver.

Durch den Schnitt der Solarzelle in kleine Streifen, die jeweils noch an drei Punkten miteinander verbunden sind, entsteht ein wellenartiges Muster bei Verformung.
Kirigami-Solarzelle

„Die Solarzelle wird in kleinere Segmente unterteilt, die dann im Gleichtakt dem Lauf der Sonne folgen können“, sagt Max Shtein von der University of Michigan in Ann Arbor. Einen ersten Prototyp dieser Kirigami-Solarzelle fertigte er zusammen mit seinen Kollegen und Unterstützung des Designers und Papierkünstlers Matthew Shlian. Grundlage war eine flexible, transparente Kunststofffolie aus Polyimid mit etwa fünf Zentimeter Kantenlänge. Auf dieser deponierten die Forscher in mehreren Arbeitsschritten viele kleine Dünnschicht-Solarzellen auf der Basis von Galliumarsenid. Mit einer geringen Dicke von nur drei Mikrometern hatte diese Halbleiterschicht den Vorteil, sich gemeinsam mit dem Kunststoffträger flexibel verbiegen zu können.

Zwischen den einzelnen Solarzellsegmenten setzten die Forscher mit einem Laser einige Schnitte. Dabei achteten sie darauf, die Folie nicht komplett zu zerschneiden, sondern an jeweils drei Punkten an der Grenze zu den benachbarten Segmenten intakt zu lassen. Wurde diese flache Kirigami-Struktur nun einige Millimeter auseinander gezogen, veränderte sich gleichmäßig der Aufstellwinkel der einzelnen Solarzellsegmente. Über einen Stellmotor ließ sich dieses Auseinanderziehen so gut steuern, um den Aufstellwinkel auf etwa ein Grad genau kontrollieren zu können.

Diesen Prototypen testeten Shtein und Kollegen unter einer normierten Lichtquelle, die sowohl das Spektrum als auch den Tageslauf der Sonne simulierte. Sie verglichen dabei die Stromausbeute einer fixierten, flachen Galliumarsenid-Zelle mit ihrer nachgesteuerten Kirigami-Zelle mit variablem Aufstellwinkel. Der Wirkungsgrad beider Zellen lag bei etwa 20 Prozent. Das Ergebnis: Besonders bei flachem Einfallswinkel – dem Sonnenstand in den Vormittags- und Nachmittagstunden entsprechend – lieferte die Kirigami-Zelle deutlich mehr Strom als das flache Vergleichsmodul. Über den gesamten Tageslauf summierte sich dieser Vorteil auf eine um 36 Prozent höhere Stromausbeute. Herkömmliche Nachführsysteme mit aufwendiger Mechanik erreichen kaum höhere Werte von bis zu 40 Prozent.

Bisher hielt die flexible Trägerfolie bis zu 350 Verformungszyklen ohne Schaden stand. Auch der Wirkungsgrad der Galliumarsenid-Zelle blieb dank der Flexibilität vollständig erhalten. Für eine wirtschaftliche Anwendung muss die Stabilität dieser Kirigami-Zellen allerdings für 7000 Verformungszyklen, zwanzig Betriebsjahren entsprechend, gewährleistet sein. Dieses Ziel könnte mit einem stabileren Trägermaterial durchaus erreicht werden. Für die Entwicklung bis zur Marktreife suchen Shtein und Kollegen derzeit nach weiteren Partnern. Dann könnte die Effizienz von flexiblen Dünnschichtsolarzellen ohne nennenswerte Zusatzkosten um ein gutes Drittel gesteigert werd