KorTeSo - Übertragung optimierter elektrochemischer Oberflächenmodifizierungen für Solar- und Gegenelektrodenfäden auf eine kontinuierliche Prozessführung am Garn und deren Verarbeitung zu textilbasierten Solarzellen (BMBF-MST 16SV4043)

Aufgabenstellung

Das Projektziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer korrosionsstabilen textilbasierten Solarzelle. Dabei liegt der Schwerpunkt auf einer textilbasierten Lösung. Als Basis dienen Shieldex®- bzw. ELITEX®-Materialien. Diese Fasern, Filamente und Garne, aus denen die textile Solarzelle aufgebaut wird, besitzen bereits die für die Energieumwandlung notwendigen leitenden und halbleitenden Eigenschaften. Diese lassen sich auf den Filamenten und Fäden allerdings nur mit Oberflächenverfahren erzeugen, die bisher in der Textilindustrie keine Anwendung finden. Eine weitere Zielsetzung des Vorhabens ist, aus diesen Verfahren kontinuierliche, auf Garne übertragbare Technologieansätze abzuleiten und im Technikumsmaßstab zu realisieren.

Lösungsweg

Für die Realisierung der Aufgabenstellung im Projekt "KorTeSo" wurden zwei verschiedene Lösungswege in fünf Arbeitsbereichen (A-F) verfolgt. Im Arbeitsbereich A wurde nach einem alternativen Redoxmediator zu dem in "TexSolar" (Vorlaufprojekt) entwickelten jodhaltigen Elektrolyt gesucht. Der Gel-Elektrolyt auf Basis einer ionischen Flüssigkeit erwies sich im Projekt "TexSolar" als extrem aggressiv, so dass metallisierte textile Garne bisher nicht zum Einsatz gelangen konnten. Der Arbeitsbereich B beinhaltete die Verbesserung der Passivierung und der Langzeitstabilität des bereits entwickelten Gel-Elektrolyten. Um eine vor Korrosion schützende passive Schutzschicht aus Metalloxid ausbilden zu können, wurden Versuche zur galvanischen Abscheidung von Ventilmetallen auf leitfähigen Polyamidfasern (Shieldex®-Substrate) durchgeführt.
Damit eine Beurteilung der erhaltenen Schichten auf den Funktionsfäden erfolgen konnte, wurde im Arbeitsbereich C eine Charakterisierung mittels optischer Verfahren in den verschiedenen Stadien der Prozesse durchgeführt. Diese diente gleichzeitig als Grundlage der Optimierung der Zellen hinsichtlich der Funktion der Kontakte. Hier kam auch das IR-Mikroskop zum Einsatz, mit dessen Hilfe eine gezielte Analyse ausgewählter Bereiche auf den modifizierten Fadenmaterialien erfolgte.
Im Arbeitsbereich D stand die Optimierung textiler Strukturen im Mittelpunkt. Hier wurden auch die Garnkonstruktionen für die Tests der Materialkombinationen entwickelt, mit denen im Arbeitsbereich E die Solarzellenfunktionen der Einzelkomponenten untersucht worden sind.

Anwendung

Im Ergebnis des Vorhabens stehen neben einer textilen Solarzelle für den Aufbau von autarken Mikrosystemen und den textilbasierten Einzelkomponenten wie den photosensitiven, halbleitenden, ionisch leitfähigen und elektrokatalytischen Garnen, auch die bei der Übertragung von neuartigen Oberflächentechnologien auf Textilien gesammelten Erfahrungen zur Verfügung. Des Weiteren kann ohne eine textilbasierte Energieversorgung die textile Mikrosystemtechnik keine in sich geschlossenen Lösungen und erst recht keine am Markt platzierbaren Lösungen anbieten. Die textilbasierte Solarzelle ist ein wichtiger Schritt zu diesem Ziel. Durch die Kombination textiltechnologischer Verfahren mit solchen aus der Halbleiterindustrie zur elektrochemischen Oberflächenmodifikation sowie der Abscheidung funktioneller Schichten auf textile Substrate aus der Gasphase eröffnen sich neue Potenziale und Einsatzgebiete für textile Strukturen.
Wenn es gelingt, Energiewandler, Aktuatoren und Sensoren so aufzubauen, dass sie sich noch deutlich besser an unseren Körper, aber auch an technische Einsatzbereiche anpassen, dann werden mit diesem Technologieansatz Anforderungen erfüllt, wie sie dringend im Bereich der Smart Textiles und der Medizintechnik notwendig sind. Bisher scheitern die Systeme noch häufig an den harten Testverfahren.

Abb. 1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines ausgewählten ... ELITEX®-Monofilamentes
Abb. 1: Lichtmikroskopische Aufnahme eines ausgewählten, mit ZnO beschichteten und die Struktur dirigierenden Agens Eosin Y beladenen ELITEX®-Monofilamentes (Versuchsparameter: -1,0 V, 300 s)

Abb.2: Gimpenmuster, mikroskopische Aufnahme (links) und mikroskopischer Querschnitt (rechts)
Abb. 2: Gimpenmuster (Kern: platinierter Tantaldraht, dichter umwunden mit Polypropylen, 185 den + parallel dazu unbeschichteter Tantaldraht; Mantel: Polyester 50dtex), mikroskopische Aufnahme, 50fach vergrößert (links) und mikroskopischer Querschnitt, 100fach vergrößert (rechts)

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) Nicole Stabenau

 
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