Können Solarzellen aus Kalzium-Titan-Erz im Weltraum verwendet werden?

Deutsche Forscher haben erstmals ein Solarmodul aus Kalziumtitanit und eine organische Solarzelle per Rakete ins All geschickt. Die Solarzellen haben den extremen Bedingungen im Weltraum standgehalten und erzeugen Energie durch direktes Sonnenlicht und reflektiertes Licht von der Erdoberfläche. Die kürzlich in der Fachzeitschrift Joule veröffentlichten Forschungsergebnisse bilden die Grundlage für künftige erdnahe Anwendungen und potenzielle Missionen im Weltraum.

Eines der Ziele von Weltraummissionen ist es, das Gewicht der von den Raketen mitgeführten Ausrüstung zu minimieren. Die derzeit für Weltraummissionen und Satelliten verwendeten anorganischen Silizium-Solarzellen sind zwar hocheffizient, aber sehr sperrig und starr. Hybride Solarzellen aus Kalziumtitanit und organische Solarzellen, die zu den aufstrebenden Technologien gehören, sind aufgrund ihrer unglaublichen Leichtigkeit und Flexibilität ideale Kandidaten für zukünftige Anwendungen.

"In dieser Branche kommt es nicht auf den Wirkungsgrad an, sondern auf die pro Gewichtseinheit erzeugte Strommenge, die auch als Leistungsfaktor bezeichnet wird." Peter Müller-Buschbaum, Seniorautor an der Technischen Universität München, sagt: "Während des Fluges der Rakete erzeugt diese neue Solarzelle eine Leistung von 7 bis 14 mW/cm2."

Der Erstautor des Artikels, Lennart Reb von der Technischen Universität München, sagte: "Würde man ein Kilogramm Solarzellen auf eine ultradünne Folie übertragen, könnte man damit eine Fläche von mehr als 200 Quadratmetern abdecken und genug Strom für 300 herkömmliche 100-Watt-Glühbirnen erzeugen. Das ist mehr als das Zehnfache der derzeitigen Technologie.

Im Juni 2019 startet die Rakete in Nordschweden, fliegt ins All und erreicht eine Höhe von 240 Kilometern. Die Kalziumtitanit-Solarzellen und die organischen Solarzellen auf der Nutzlast haben den extremen Bedingungen des Raketenflugs erfolgreich standgehalten - vom Rumpeln und den hohen Temperaturen beim Start bis hin zu den starken UV-Strahlen und dem Ultrahochvakuum im Weltraum. "Der Raketenstart war ein großer Schritt nach vorn, und der Ritt auf der Rakete war wirklich wie der Eintritt in eine andere Welt." sagte Reb.

Können Solarzellen aus Kalzium-Titan auch dann Strom erzeugen, wenn sie nicht direkt dem Sonnenlicht ausgesetzt sind?

Kalziumtitanit-Solarzellen und organische Solarzellen können nicht nur im Weltraum, sondern auch bei schlechten Lichtverhältnissen effizient arbeiten. Wenn es kein direktes Licht gibt, stellen herkömmliche Solarzellen in der Regel ihren Betrieb ein und ihre Leistung geht gegen Null. Das Team fand jedoch heraus, dass auch ohne direkte Sonneneinstrahlung schwaches diffuses Licht, das von der Erdoberfläche reflektiert wird, die Energieausbeute von Chalkogenid-Solarzellen und organischen Solarzellen erhöhen kann.

"Das ist ein guter Hinweis und bestätigt, dass diese Technologie für so genannte Deep Space Missionen genutzt werden kann, also für das Schicken weit weg von der Sonne ins All, wo herkömmliche Solarzellen nicht funktionieren." Müller-Buschbaum sagte: "Die Zukunft dieser Technologie ist wirklich aufregend und wir könnten diese Solarzellen in Zukunft für viele weitere Weltraummissionen nutzen."

Chalkogenid-Solarzellensatz:

 (A) Schema eines monolithisch verschalteten PSM, (B) Schema eines gitterförmigen PSM, (C) Potenzielle Anwendungen von PSMs mit monolithischen und gitterförmigen Schaltungen.

Wie in der Abbildung dargestellt, ist die Struktur einer Chalkogenid-Solarzelle