Solare Energieumwandlung

Im Zentrum Niyazi Serdar Sariciftcis Forschung stehen "organische Halbleiter". Er hat auf dem Gebiet der organischen Solarzellen mit der Entdeckung der lichtinduzierten Elektronenübergänge in p-konjugierten organischen Halbleiterpolymeren und Fullerenen im Jahre 1992 einen Originalbeitrag geleistet. Darin beschrieb Niyazi Serdar Sariciftci erstmals die sogenannten "Bulk Heterojunction Polymersolarzellen". Bereits zu Beginn dieser Forschung im Jahr 1992 wurden zwei verschiedene Arten von Polymersolarzellen realisiert: a) Zweischichtsolarzellen mit Dünnschichten von organischen Donatoren und Akzeptoren und b) "Bulk heterojunction" Solarzellen, die aus einer Mischung von organischen Donatoren und Akzeptoren bestehen, damit eine große Grenzschicht im gesamten Volumen entsteht. Organische Polymersolarzellen zeichnen sich insbesondere durch folgende Vorteile aus: Die molekulare Natur der organischen Halbleiter ermöglicht eine chemische Modifikation der Eigenschaften durch die chemische Synthese; die Produktionsmöglichkeit in großen Flächen ohne einen Materialengpass (chemical abundance); die kostengünstige Produktionsmöglichkeit mit roll-to-roll Druckmethoden; die mechanische Flexibilität der Polymerwerkstoffe und somit die direkte Integration in verschiedenen Bauelementen und Flächen. Der gegenwärtige Stand der organischen Solarzellen weist weltweit eine Umsetzungseffizienz von ca 10 % von Sonnenenergie in elektrische Energie auf. Dieser Wert ist noch immer um Faktor 2 geringer als bei herkömmlichen, kristallinen Siliziumsolarzellen, stehen aber schon in Konkurrenz mit den amorphen Siliziumssolarzellen. Niyazi Serdar Sariciftci arbeitet heute mit neuen Konzepten und Ideen auf diesem Gebiet der organischen Solarzellen, um innovative Architekturen und Methoden mit neuen und bio-abbaubaren Materialien zu entwerfen. Es sei immer wieder daran erinnert, dass erneuerbare Energien Probleme bei Speicherung und Transport aufweisen. Wind- und Solarenergie haben den gravierenden Nachteil, dass es nicht möglich ist, Energieerzeugung und Energiebedarf zu synchronisieren. Die Speicherung von Wind- und Solarenergie bleibt deshalb eine zentrale Herausforderung. Weiters müssen Wind- und Solarenergie über große Distanzen zwischen optimalen Erzeugungspunkten und Bedarfspunkten transportiert werden. Eine effektive Speicherungsmethode für Wind- und Solarenergie ist, sie in "chemische Brennstoffe" umzuwandeln. Die Energiedichte von Benzin beträgt ca 46.4 MJ/kg (12.9 kWh/kg) und ist somit um Größenordnungen höher als die der Bleibatterie mit 35Wh/kg. Eine durchschnittliche Tankfüllung entspricht einem Ladestrom von 1 Million Ampere bei einer 12 V Batterie. Das Gewicht dieses Tankinhaltes mit Benzin beträgt ca 30 kg. Damit wir dieselbe Energie in elektrischen Batterien speichern können brauchen wir ca 2500 kg. Alle diese Überlegungen brachten Niyazi Serdar Sariciftci zur Schlußfolgerung, dass eine chemische Energieumwandlung und Energiespeicherung mit Kohlenwasserstoffen benötigt wird. Das dazu notwendige Kohlendioxyd kann man aus der Luft und aus den Abgasen entnehmen und zu einem Brennstoff zurückführen. Die so hergestellten Brennstoffe sind CO 2 -neutral und entsprechen den Nachhaltigkeitskriterien. Somit wären die Probleme der Energiespeicherung der Solarenergie einerseits und CO 2 -Emissionen anderseits gleichzeitig gelöst. Die Zuerkennung des Wittgenstein-Preises an Niyazi Serdar Sariciftci und seine Arbeitsgruppe wird die Möglichkeit eröffnen, in Zukunft diese neue Forschungsrichtung der "CO2 -Recycling in chemische Brennstoffe mit Solarenergie" aufzumachen und zu einer neuen Forschungskompetenz in Österreich auszubauen.

In diesem Projekt haben wir uns auf die Forschung der solaren Energieumwandlung fokussiert. Die Sonne strahlt mit etwa 150.000 Terawatt, Tag für Tag auf unseren Planeten, wobei die menschliche Zivilisation heute ca 15 Terawatt braucht. Es gibt grundsätzlich drei Arten für die Nutzung und Umwandlung von Solarenergie: a.) Die solare Energieumwandlung in Wärmeenergie (Solarthermie): Das ist die älteste und am weitesten benutzte solare Energieumwandlung heute. Aus diesem Grund haben wir diese Forschung im Rahmen des Wittgensteinpreises für Prof. Sariciftci nicht untersucht. b.) Die solare Energieumwandlung in Elektrizität (Solare Photovoltaik PV): Diese Technologie existiert heute weitgehend auf Basis von Siliziumhalbleiterdioden, die etwa 20 % der solaren Lichtenergie in elektrische Energie umwandeln können. Im Rahmen dieses Wittgensteinpreis- Projektes haben wir neuartige organische, bio-organische und auch organisch-anorganische Hybridmaterialien untersucht. Solche neuen Materialien sind am Ende unseres Projektes (2018) mit ca 10 % Effizienz für die organischen und mit ca 15%+ für die organisch- anorganischen "Perovskit" Materialien in unseren Labormaßstab weitgehend reproduzierbar. Wir haben auch wissenschaftlich und technologisch nachgewiesen, dass diese neuen Materialien in großen Mengen synthetisiert werden können und auf flexible, große Flächen mit "Druck- und Beschichtungs-Technologien" aufzubringen sind. Solche PV Zellen, mit sehr geringem Eigengewicht, erzeugt mit einfachen Druck- und Beschichtungstechnologien auf flexiblen Plastiksubstraten, wären höchst attraktiv und werden in Zukunft in der PV Technologie eine große Rolle spielen. c.) Die solare Energieumwandlung in chemische Energie (Solar-Fuel, künstliche Photosynthese): In dieser Forschung wird CO2 in einem katalytischen Verfahren mit Hilfe von erneuerbaren Energien in "künstliche" Brennstoffe umgewandelt. Wenn man solche Brennstoffe verbrennt, dann entsteht genauso viel CO2, die zu ihrer Erzeugung gebunden wurde und sind somit "CO2 neutral". Im Rahmen dieses Wittgensteinpreis-Projektes haben wir neuartige organische, bio-organische und auch organisch-anorganische Hybridmaterialien für diesen Zweck untersucht und dabei Produkte wie Methan, Methanol, Ameisensäure bis zu Butanol erzeugt. In dieser Technologie ist auch die Lösung des Speicherproblems implizit behandelt. Da die Solar- und Windenergien unstetig sind und deswegen immer eine geeignete Speicherung brauchen, kann man diese chemische Energieumwandlung der Solarenergie als eine Methode der Energiespeicherung betrachten.