Sonnenstrom, wenn’s regnet? Wer auf die Idee kam, und bei welcher Gelegenheit, das ist nicht überliefert. Aber was daraus geworden ist und wie es funktioniert, das klingt spannend! Und es passt doch hervorragend zum wechseltwetterigen April ;-)
Das Prinzip: Strom aus Reibung
Triboelektrische Nanogeneratoren (TENG) nutzen ein physikalisches Prinzip, das jede aus dem Alltag kennt: Wenn zwei Materialien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit in Kontakt kommen, tauschen sie Elektronen aus und laden sich gegensätzlich auf. Werden sie wieder getrennt, entsteht eine Spannung, und über Elektroden lässt sich ein Strom ableiten. Das passiert ja auch, wenn man einen Luftballon an der Kleidung reibt oder frisch getrocknete Haare mit einem Plastikkamm kämmt.
Dieser Effekt wird genutzt, um (mehr) regenerativen Strom zu erzeugen. Ein Regentropfen, der auf eine speziell beschichtete Oberfläche trifft, erzeugt beim Aufprall und beim Heruntergleiten einen kurzen Stromimpuls. Die TENG-Schichten sind transparent, so dass Sonnenlicht ungehindert auf die darunter liegenden Solarzellen treffen kann. Die Miniaturgeneratoren beeinträchtigen die Photovoltaik-Leistung also nicht, sondern ergänzen sie.
Eine Schicht, zwei Funktionen
Forscherinnen und Forscher aus Sevilla rund um Carmen López-Santos heben die Idee nun auf ein neues Level. Sie entwickelten eine nur etwa 100 bis 130 nm dünne Schicht aus fluoriertem Kunststoff, die chemisch mit Teflon verwandt ist. Ein menschliches Haar ist rund 1.000-mal dicker. Aufgebracht wird die Schicht per plasmagestützter Gasphasenabscheidung (PECVD).
Die Schicht / Oberfläche erfüllt laut den Forschenden gleichzeitig zwei Aufgaben:
- Sie wirkt als Schutzkapsel: Sie macht die Oberfläche wasserabweisend. Der Kontaktwinkel von Wassertropfen verdoppelt sich gegenüber der unbeschichteten Zelle auf rund 110 °. Damit schützt sie die empfindlichen Perowskitzellen vor Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen. Außerdem verbessert sie als Antireflexschicht die Lichtdurchlässigkeit auf über 90 % und blockiert gleichzeitig schädliche UV-Strahlung.
- Sie besitzt triboelektrische Eigenschaften: Die chemische Zusammensetzung bewirkt, dass ein hoher Anteil stark elektronegativer Fluorgruppen (und zwar: CF₂ und CF₃ – zusammen 36,4 % der Oberflächenzusammensetzung) den triboelektrischen Effekt beim Tropfenaufprall maximiert.
110 V aus einem einzigen Tropfen
Ein einzelner Regentropfen könne beim Aufprall auf die Beschichtung bis zu 110 V Leerlaufspannung erzeugen, meldeten die Leute aus Spanien. Die maximale Leistungsdichte betrage rund 4 mW/cm².
Getestet wurde mit echtem Regenwasser aus Sevilla. Im Dauertest behielt der Nanogenerator nach mehr als 17.000 Tropfen noch über 85 % seiner ursprünglichen Leistung.
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Maria