Fensterscheiben erzeugen Strom

Berkeley (USA) - Mit kleinen elektrischen Spannungen lassen sich durchsichtige Fenster bereits heute auf Knopfdruck verdunkeln. Diese Funktion kombinierten nun amerikanische Wissenschaftler mit einem Wandel zu einem photovoltaisch aktiven Fenster, dass im verdunkelten Zustand sogar Strom erzeugen konnte. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten, beruhte der Wandel zu einem verdunkelten Solarfenster auf einem Phasenwechsel spezieller Perowskit-Schichten. Anwendungen dieser Technologie sehen die Forscher für die Verglasung von Gebäuden mit möglichst hoher Energieeffizienz oder auch für Autoscheiben und elektronische Anzeigetafeln.

„Dieses intelligente Solarfenster kann zwischen einem durchsichtigen und einem eingefärbten, photovoltaisch aktiven Zustand hin und her geschaltet werden“, sagt Jia Lin von der University of California in Berkeley. Für den Prototypen deponierte Lin gemeinsam mit seinen Kollegen eine rund 200 Nanometer dünne Schicht aus einem speziellen Caesium-Perowskit auf einem durchsichtigen Glasträger. Auf der Oberseite schirmten die Forscher die Perowskit-Schicht mit dünnen Lagen aus Zinnoxid und Indiumzinnoxid vor Feuchtigkeit und Luft ab. Bei Raumtemperatur ließ dieses Solarfenster mehr als 80 Prozent des sichtbaren Lichts hindurch. Nach einer Wärmebehandlung und unter Sonneneinstrahlung färbte es sich orange-rot ein und wandelte sich parallel zu einer Solarzelle mit gut sieben Prozent Wirkungsgrad.

Verantwortlich für diesen Wandel war ein Phasenwechsel der Perowskit-Schicht. Im durchsichtigen Zustand lagen die Kristalle in einer kubischen Struktur und waren weitestgehend durchsichtig. Bei einer Temperatur von 105 Grad Celsius jedoch bildete sich die weniger transparente Perowskit-Kristallstruktur aus. Diese blockierte gut zwei Drittel des sichtbaren Lichts und war zugleich photovoltaisch aktiv. Auf Raumtemperatur abgekühlt und etwas Feuchtigkeit ausgesetzt, ließ sich dieser Phasenwechsel wieder umkehren; das Solarfenster wurde abermals durchsichtig. Pilotversuche zeigten, dass dieser Wechsel einige Dutzend Male ohne große Einbußen beim Wirkungsgrad möglich war.

Dieser Prototyp belegt, dass schaltbare Fenster nicht nur Sonnenlicht auf Wunsch abschirmen, sondern zugleich photovoltaischen Strom erzeugen können. Vor einer Anwendung in Bürogebäuden oder als Autoscheibe müsste jedoch die bisher relativ hohe Phasenwechseltemperatur von knapp über 100 Grad gesenkt werden. Auch die für das reversible Schalten notwendige Feuchtigkeit könnte die Stabilität der Perowskit-Schichten auf Dauer beeinträchtigen. Doch da sich die Zusammensetzung von Perowskit-Materialien stark variieren lässt, könnte in weiteren Studien eine Materialmischung ohne diese Nachteile gefunden und auch der Wirkungsgrad noch gesteigert werden.