Ein Forschungsteam des Instituts für Materialwissenschaften in Sevilla (ICMS) hat eine neuartige Hybrid-Solarzelle entwickelt, die gleichzeitig Strom aus Sonnenlicht und aus Regentropfen erzeugt. Die Kombination einer herkömmlichen Perowskit – Photovoltaik -Zelle mit einem triboelektrischen Generator adressiert das bekannte Problem der Feuchtigkeitsempfindlichkeit von Perowskit-Zellen und eröffnet das Potenzial, den Jahresertrag von Solaranlagen in feuchten oder regnerischen Regionen deutlich zu steigern.
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Funktionsprinzip der Hybrid-Solarzelle
Die Hybridzelle besteht aus zwei eng gekoppelten Funktionsmodulen:
Photovoltaischer Teil – Perowskit-Zelle
Der klassische photovoltaische Teil nutzt das Perowskit-Halbleitermaterial, um Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Trotz der zusätzlichen Beschichtung bleibt der gemessene Wirkungsgrad bei 17,9 %, was die Leistungsfähigkeit der Zelle im Vergleich zu herkömmlichen Perowskit-Solarzellen bestätigt.
Triboelectric-Generator – Energie aus Regentropfen
Der triboelektrische Teil wandelt die kinetische Energie einzelner Regentropfen in elektrische Impulse um. Beim Aufprall auf die fluorierte CFₓ-Oberfläche werden Elektronen übertragen, wodurch pro Tropfen Spannungsspitzen von bis zu 12 V entstehen. Im reinen Generatorbetrieb wurden offene Leerlaufspannungen von bis zu 110 V und eine maximale Leistungsdichte von 4 mW / cm² gemessen.
CFₓ-Polymerbeschichtung: Schutz und Energieerzeugung
Die zentrale Innovation ist die fluorierte CFₓ-Polymerschicht, die mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllt:
- Schutz der empfindlichen Perowskit-Halbleiterschicht vor Feuchtigkeit (hydrophob, reduziert Wechselwirkung mit Wasser und Dampf).
- Erhaltung einer hohen optischen Transparenz von über 90 %, sodass der photovoltaicische Wirkungsgrad nicht beeinträchtigt wird.
- Triboelectric-Aktivität, die die Umwandlung von Regentropfen in elektrische Impulse ermöglicht.
Die Schicht ist 100-130 nm dünn – damit tausendfach dünner als ein menschliches Haar – und wird bei Raumtemperatur mittels plasmagestützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD) aufgebracht. Das Verfahren erfolgt unter Vakuum, ohne den Einsatz von Lösungsmitteln oder hoher Temperatur, sodass die darunterliegende Solarzelle nicht beschädigt wird.
Leistungsdaten und Demonstrator
Im Labor wurde das Hybrid-System unter halbierter Sonnenintensität (0,5 Sonne) getestet. Die wichtigsten Kennzahlen lauten:
- Photovoltaischer Kurzschlussstrom: 11,6 mA / cm².
- Triboelectric-Spannungsspitzen: bis zu 12 V pro Regentropfen.
- Generator-Leerlaufspannung: bis zu 110 V.
- Leistungsdichte des Tribo-Generators: 4 mW / cm².
- Gesamtwirkungsgrad der Perowskit-Zelle: 17,9 %.
Als praktischer Nachweis wurde ein Demonstrator gebaut, der die Hybridzelle zum Laden eines Superkondensators nutzt. Über einen eigens entwickelten Aufwärtswandler konnte anschließend eine rote LED-Leiste kontinuierlich betrieben werden. Die Autoren betonen, dass die Ladegeschwindigkeit hauptsächlich von der Photovoltaik-Komponente bestimmt wird, während der triboelektrische Beitrag ergänzend wirkt.
Finanzierung und Forschungsumfeld
Die Entwicklung erfolgt im Rahmen zweier großer europäischer Förderprogramme:
- ERC Starting Grant – Projekt 3DScavengers (laufend), geleitet von Carmen López-Santos am ICMS Sevilla.
- Next Generation EU – Projekt Drop Ener, das die triboelektrische Komponente weiterentwickelt.
Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgte in der Fachzeitschrift Nano Energy (2026) unter dem Titel „Water-resistant hybrid perovskite solar cell – drop triboelectric energy harvester“. Weitere Berichte finden sich bei ingenieur.de und im pv magazine.
Kritische Aspekte und Skalierbarkeit
Obwohl die Laborergebnisse vielversprechend sind, weisen die Autoren selbst und weitere Analysen auf folgende Punkte hin:
- Der triboelektrische Beitrag ist ergänzend und dominiert nicht die Gesamt-Ladegeschwindigkeit.
- Die Skalierbarkeit des hybriden Ansatzes für großflächige Module ist noch nicht nachgewiesen.
- Perowskit-Zellen haben allgemein Probleme mit der Langzeitstabilität; die Feuchtigkeitsschutz-Schicht muss über längere Zeiträume getestet werden.
Diese Punkte sollen Lesern helfen, realistische Erwartungen an die kommerzielle Viabilität zu entwickeln, da aktuelle Demonstratoren noch im Labormaßstab operieren.
FAQ
Wie dick ist die schützende CFₓ-Schicht?
Die Schicht misst 100-130 nm und wird per PECVD bei Raumtemperatur abgeschieden, ohne die Solarzelle zu schädigen.
Funktioniert die Technologie nur im Labor?
Derzeit ist sie am Labormaßstab mit LED-Betrieb demonstriert; die Skalierung für Module ist offen, aber das ERC-finanzierte Projekt arbeitet an der Weiterentwicklung.
Was bewirkt der triboelektrische Effekt genau?
Positiv geladene Regentropfen übertragen Elektronen auf die hydrophobe CFₓ-Oberfläche, wodurch Spannungsimpulse bis zu 12 V pro Tropfen entstehen.
Fazit
Die hybride Perowskit-Solarzelle aus Sevilla demonstriert, dass die Kombination von Photovoltaik und triboelektrischer Energiegewinnung aus Regen ein realistisches Mittel sein kann, um die Stromproduktion in feuchten Klimazonen zu erhöhen. Die fluorierte CFₓ-Schicht schützt die empfindliche Perowskit-Halbleiterschicht, bleibt optisch transparent und ermöglicht die Umwandlung von Regentropfen in elektrische Impulse. Messwerte von 17,9 % Wirkungsgrad, 110 V Leerlaufspannung und 4 mW / cm² Leistungsdichte bestätigen das technische Potenzial. Gleichzeitig zeigen die kritischen Anmerkungen, dass die triboelektrische Komponente ergänzend wirkt und die langfristige Stabilität sowie die Skalierbarkeit noch weiter erforscht werden müssen. Durch die Unterstützung von ERC- und EU-Förderprogrammen ist jedoch ein klarer Weg für die Weiterentwicklung und mögliche kommerzielle Anwendung vorgezeichnet.
