Grün, grüner, nano? 2

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Wenn Nanotechnologien derzeit Schlagzeilen machen, dann meist wegen möglicher Risiken für Gesundheit und Umwelt. Doch jenseits der Risikodebatte sorgt ein neues Schlagwort für Bewegung in der Nano-Szene: "green nanotechnology". In Teil 1 der TR-Serie ging es um Effizienzgewinne beim Verbrauch von Energie und Ressourcen, die durch Nanomaterialien und -beschichtungen möglich werden.

In den neunziger Jahren erschien die Nanotechnik noch neu und aufregend. Die Medien zeigten allerlei Futuristisches, besonders gerne Nanoroboter, die durch Arterien flitzen und Zellen reparieren. Ein Jahrzehnt später existieren die immer noch nicht. Bis heute fehlt der Nanotechnik eine echte „Killer Application“ für jedermann, also das, was Web und Email für das Internet wurden. Einen Kandidaten gibt es allerdings: Nanomaterialien, die Sonnenlicht in Strom umwandeln – und damit die Photovoltaik endgültig aus ihrer zukunftsträchtigen Nische in einen Massenmarkt für Alltagsanwendungen befördern könnten.

Derzeit konkurrieren vor allem drei Materialkombinationen um den Platz an der Sonne: Nanokristalle aus Kupfer, Indium, Gallium sowie Selen oder Schwefel, die als „CIGS“ (manchmal auch „CIS“) bezeichnet werden; halbleitende Polymere, in denen Fullerene – Kohlenstoffmoleküle, die an Nanofußbälle erinnern – eingebettet sind; sowie Mischungen aus nanoskaligem Titandioxid und Farbstoffmolekülen.

Ihr entscheidender Vorteil gegenüber dem heutigen Standardmaterial Silizium ist, dass sich aus ihnen Solarzellen mit Schichtdicken von weniger als einem Mikrometer in einem Druckverfahren fertigen lassen. Wie in einer Druckerei können Hunderte Meter lange Plastikbänder durch eine Straße aus Walzen geschickt werden, aus denen sie als lichtsammelnde Folie – einschließlich Elektrodenschichten – wieder herauskommen. Derartige Flächengrößen sind mit der üblichen Vakuumprozesstechnik bei Siliziumzellen nicht denkbar. Und: „Im Unterschied zur herkömmlichen Produktion von Solarmodulen sind hier alle Produktionsschritte in einem Arbeitsgang vereint“, sagt Bernhard Dimmler von der schwäbischen Firma Würth Solar, die im Juli eine CIGS-Produktionsanlage mit einer Kapazität von 30 Megawatt pro Jahr in Betrieb genommen.

Der kommende Platzhirsch bei CIGS-Zellen ist allerdings die kalifornische Firma Nanosolar: Sie hat in Luckenwalde bei Berlin eine 620-Megawatt-Anlage und in Kalifornien eine 430-Megawatt-Anlage errichtet. Für Erik Oldekop, Deutschland-Chef von Nanosolar, ist die CIGS-Technologie eine lupenreine Nanoanwendung: „Um die vier Bestandteile drucken zu können, müssen sie nanoskalig sein. Im Mikrometerbereich bekommen sie keine chemische Verbindung hin, nur Verklumpungen.“ Erst die exakte Anordnung zu einem Kristallgitter von je einem Kupfer-, Indium- und Galliumatom sowie zwei Selenatomen macht die Verbindung zu einem Halbleiter.

Im Unterschied zu Nanosolar setzt die US-Firma Konarka auf ein Polymer-Fulleren-Gemisch, das unter dem Namen „Plastic Power“ auf den Markt kommen soll. Ähnlich wie bei der pflanzlichen Photosynthese verteilen sich die Umwandlung von Photonen in bewegliche Ladungsträger und deren Weiterleitung auf zwei molekulare Komponenten: Die Umwandlung geschieht in den leitfähigen Polymerketten (beispielsweise PCBM), die Weiterleitung der Elektronen besorgt dann ein Netzwerk aus eingebetteten Fullerenen (C60).

Auch Konarka verfügt inzwischen über eine beachtliche Produktionskapazität: Die kürzlich in New Bedford im US-Bundesstaat Massachusetts eröffnete Fabrik ist für eine jährliche Gesamtleistung von einem Gigawatt ausgelegt. Das entspreche der anderthalbfachen Jahresleistung eines durchschnittlichen Kohlekraftwerks, sagt Christoph Brabec, CTO von Konarka und Chef des deutschen Ablegers in Nürnberg. Der Prototyp eines aufrollbaren Plastic-Power-Moduls lässt sich zum Beispiel an Handys oder Laptops anschließen. „Den 2-Watt-Akku eines Handys können Sie in einer Stunde in der prallen Sonne schon mit einer Zellfläche von 0,04 Quadratmeter aufladen“, rechnet Brabec vor – das ist weniger als die Größe eines DinA4-Blattes. Die US-Armee schloss bereits 2005 einen Vertrag mit Konarka ab und will ihre Soldaten künftig mit dieser mobilen Energiequelle ausstatten.