Zwiebeln auf der Solaranlage: Forscher entdecken irren Effekt

Solarzellen sind anfällig für UV-induzierte Degradation. Bislang setzt die Solarindustrie größtenteils auf Schutz durch spezielle Folien auf Erdölbasis, etwa Polyvinylfluorid (PVF) und Polyethylenterephthalat (PET). Werkstofftechniker suchen deshalb nach biobasierten Alternativen zu Erdöl-Kunststoffen, wobei Nanozellulose zu den vielversprechendsten Anwärtern gehört. Nanozellulose wird durch Aufspaltung von Zellulose in nanometergroße Fasern hergestellt, die dann auf verschiedene Weise behandelt werden können, um UV-Schutz zu bieten.

Eine aktuelle Studie der Universität Turku und der Aalto-Universität in Finnland sowie der Universität Wageningen in den Niederlanden ergab nun, dass Nanozellulose, die mit rotem Zwiebelschalenextrakt eingefärbt wurde, einen sehr wirksamen UV-Schutz bietet: Der Nanozellulosefilm schützte vor 99,9 Prozent der UV-Strahlung bis zu 400 Nanometern. Damit übertrifft der UV-Filter auf Zwiebelbasis sogar die Wirksamkeit kommerzieller UV-Filter auf PET-Basis, die in der Studie als Marktstandard ausgewählt wurden.

Im Rahmen der Studie verglichen die Forschenden die Haltbarkeit und Eigenschaften von vier Arten von Schutzfolien aus Zellulose-Nanofasern miteinander. Die Nanozellulose-Folien wurden jeweils mit einem Extrakt aus roten Zwiebeln, Lignin und Eisenionen behandelt – Stoffe, denen in früheren Untersuchungen eine gute UV-Blockierwirkung bescheinigt wurde. Die mit rotem Zwiebelextrakt behandelte Folie erwies sich dabei als am effizientesten.

UV-Strahlung unter 400 Nanometern Wellenlänge ist für Solarzellen schädlich, gleichzeitig ist aber auch die Durchlässigkeit für sichtbares und teilweise infrarotes Licht wichtig, insbesondere im Bereich zwischen 700 und 1.200 Nanometern Wellenlänge, da Solarzellen diese Arten von Strahlung in Strom umwandeln. Bei der Entwicklung biobasierter Materialien muss deshalb häufig ein Kompromiss zwischen UV-Schutzwirkung und Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Bereich eingegangen werden. So hat beispielsweise Lignin, ein natürliches Polymer, das für seine UV-absorbierenden Eigenschaften bekannt ist, eine dunkelbraune Farbe, die seine Verwendung in transparenten Folien einschränkt.

Die mit rotem Zwiebelfarbstoff behandelte Folie erwies sich den Forschenden zufolge als interessante Lösung, da sie bei längeren Wellenlängen von 650 bis 1.100 Nanometern eine Lichtdurchlässigkeit von über 80 Prozent aufweist. Außerdem behielt die Folie ihre Leistung während des langen Testzeitraums bei: Die Haltbarkeit und Leistung der Filter wurde 1.000 Stunden lang unter künstlichem Licht getestet, was etwa einem Jahr Sonnenlicht im Freien in mitteleuropäischem Klima entspricht. Die optischen Veränderungen der Filtermaterialien und Solarzellen wurden mithilfe von Digitalfotografie überwacht.

«Die Studie unterstreicht die Bedeutung von Langzeittests für UV-Filter, da sich der UV-Schutz und die Lichtdurchlässigkeit der anderen biobasierten Filter im Laufe der Zeit deutlich veränderten. Beispielsweise hatten die mit Eisenionen behandelten Filme anfangs eine gute Lichtdurchlässigkeit, die sich im Zuge der Alterung verringerte», berichtet Doktorand Rustem Nizamov von der Universität Turku.

Die UV-Filter wurden auf farbstoffsensibilisierten Solarzellen getestet, da diese besonders anfällig für die durch UV-Strahlung verursachte Abnutzung sind. Die Ergebnisse sind laut Nizamov aber auch für den UV-Schutz anderer Solarzellen-Arten relevant, einschließlich Perowskit-Solarzellen. Die Vision der Forscher ist es, in Zukunft Solarzellentypen zu entwickeln, die vollständig biologisch abbaubar sind und als Energiequellen für kleine Sensoren, beispielsweise in Lebensmittelverpackungen, eingesetzt werden können.

Die Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden in der Fachzeitschrift ACS Applied Optical Materials veröffentlicht.